Technologie
AMSAT-DL Journal


Michael Scharfe, DK7UX; Dr. Karl Meinzer, DJ4ZC; Ralf Zimmermann, DL1FDT

Entwicklung eines magnetisch gelagerten Schwungrades für AMSAT Phase 3-D

Die Notwendigkeit einer drei-Achsen Stabilisierung von Phase 3-D war die Motivation zur Entwicklung der magnetisch gelagerten Schwungräder. Wesentliche Gründe für die Wahl von Magnetlagern sind geringe Reibung und lange Lebensdauer - Schmierung ist nicht erforderlich und hohe Drehzahlen sind erreichbar.

Die mechanisch einfache Konstruktion macht die magnetisch gelagerten Räder konkurrenzfähig zu Rädern mit konventionellen Kugellagern bezüglich Kosten und mechanischen Eigenschaften. Dieser Artikel beschreibt die Konstruktion und Funktionsweise des Rades, zeigt Simulationsergebnisse und vergleicht diese mit gemessenen Eigenschaften.

Einleitung - Warum sind Schwungräder wichtig?

Phase 3-D ist im Gegensatz zu OSCAR 13 ein Satellit, der in drei Achsen stabilisiert wird. Die Antennen müssen wegen ihrer Richtwirkung jederzeit zur Erde zeigen und die Solarzellen möglichst gleichzeitig zur Sonne. Für den Satelliten bedeutet das, daß er ständig seine Orientierung ändern muß. Dies wird erreicht, indem drei Schwungräder im Satelliten ständig ihre Drehzahl ändern. Eine Drehzahländerung eines Rades in eine Richtung veranlaßt den Satelliten zu einer Drehung um die Raddrehachse in entgegengesetzter Richtung. Zusätzlich werden die Schwungräder mit einer Grunddrehzahl betrieben, die dem Satelliten dynamische Steife verleihen; der Satellit verhält sich so wie ein wesentlich größeres Objekt mit größerer Masse und wird dadurch unempfindlicher gegen Stördrehmomente beispielsweise durch den Lichtdruck der Sonne.

Um einem konstanten Drehmoment wie zum Beispiel dem Lichtdruck entgegenzuwirken, muß ein Gegendrehmoment durch eine kontinuierliche Drehzahländerung des Rades erzeugt werden. Da die Drehzahl des Rades sich nicht beliebig erhöhen läßt, muß das Rad abgebremst werden. Man erreicht dies, indem man ein äußeres Drehmoment auf den Satelliten mit Hilfe von Magnetspulen im Perigäum des Orbits aufbringt (Magnettorquing). Wie bei einem Elektromotor wirkt der Satellit dort als Rotor, der sich im Erdmagnetfeld, das als Stator wirkt, bewegt.

Kommerziell erhältliche, mit konventionellen Kugellagern ausgestattete Schwungräder sind für die Phase 3-D Mission kaum geeignet, da Kugellager eine begrenzte Lebensdauer im Vakuum des Weltraums haben. Diese Kugellager sind meist mit flüssigem Schmiermittel (Öl oder Fett) ausgestattet. Unter Weltraumbedingungen im Hochvakuum und unter starken Temperaturschwankungen würde das Schmiermittel schnell verdampfen. Es gibt Kugellagerhersteller, die ihre Lager mit Dichtungen und Schmiermittelreservoirs austatten. Jedoch verschleißen diese Dichtungen nach einigen Jahren im Weltraum und begrenzen die Lebensdauer des Satelliten. Darüberhinaus sind Kugellager für Weltraumanwendungen sehr teuer und würden das Missionsbudget erheblich belasten.

Magnetische Lager im Weltraum bieten hohe Zuverlässigkeit, haben keinen Verschleiß oder Abrieb und fast keine Lagerreibung und benötigen natürlich keine Schmierung. Darüberhinaus ist kein erhöhtes Drehmoment notwendig, um das Rad in Rotation zu versetzen. Der nutzbare Temperaturbereich für magnetische Lager ist größer als für Kugellager, und die Produktion von magnetischen Lagern kann möglicherweise aufgrund geringerer mechanischer Toleranzanforderungen preisgünstiger sein.

Studer entwickelte bereits 1972 magnetisch gelagerte Schwungräder [2,3]. Parallele Entwicklungen ab 1981 von Alan Robinson [4,5] führten zu den ersten magnetisch gelagerten Schwungrädern im Weltraum auf dem französischen SPOT Satelliten 1986. Gegenwärtig bieten weltweit drei verschiedene Hersteller magnetisch gelagerte Schwungräder für wesentlich größere, meist geostationäre Plattformen an.

Die Tatsache, daß es in der Satellitenbranche noch keine magnetisch gelagerten Schwungräder für Kleinsatelliten gibt, führte schließlich zur Entwickung von drei Rädern für Phase 3-D. Dr. Karl Meinzer (DJ4ZC) von AMSAT-DL und der Universität Marburg und Professor Bernhard Cramer (DL3XC) von der TH Darmstadt haben im Oktober 1994 den Bau von vier magnetisch gelagerten Rädern vereinbart; einem Testmodell und drei Flugversionen. Das Rad hat drei Hauptkomponenten: das magnetische Lager, dessen Regelung und den kontaktlosen magnetischen Motorantrieb. In Marburg wurde die Regelungstechnik von Karl Meinzer entwickelt und von Werner Haas (DJ5KQ), Chuck Green (N0ADI) und Konrad Müller (DG7FDQ) gebaut. Der Motorantrieb wurde als Studienarbeit von Ralf Zimmermann (DL1FDT), und das Magnetlager von Michael Scharfe (DK7UX) entwickelt.

Das Magnetlager - Lagerprinzipien und Technologien

Laut Definition in der Mechanik hat ein Körper sechs Freiheitsgrade; je einen Freiheitsgrad durch lineare Bewegung entlang der 3 Koordinatenachsen x, y und z, und je einen Freiheitsgrad durch Rotation um die gleichen Achsen. Ein völlig passives und kontaktloses Magnetlager, das stabil in allen 6 Freiheitsgraden ist, läßt sich nicht unter normalen Bedingungen verwirklichen [7]. In der Praxis muß mindestens ein Freiheitsgrad aktiv durch Elektromagneten beeinflußt werden. Es gibt in der Fachliteratur Vorschläge, entweder ein, zwei oder fünf Freiheitsgrade aktiv zu stabilisieren. Tabelle 1 gibt einen allgemeinen Vergleich zwischen diesen drei Möglichkeiten:

Zahl von aktiv
gesteuerten Freiheitsgraden
Lagereigenschaften
1, axial Einfache Elektronik, geringer Stomverbrauch, aber komplizierte mechanische Konstruktion. Passive Dämpfung von radialen Schwingungen schwierig
2, radial Radiale Steifheit hoch wegen aktiver Regelung, einfache Konstruktion, niedriger axialer Aufbau.
5, axial und radial Mechanisch und elektrisch komplexes System und daher fehleranfälliger, ermöglicht das Verkippen desRades. Spezielle Maßnahmen zum Testen in der Erdschwere erforderlich.

Tabelle1: Vergleich zwischen drei Möglichkeiten, magnetische Lager aktiv zu steuern.

Der Vorzug wurde dem zwei-achsig aktiven Lager gegeben, bei dem die Position des Rades in zwei rechtwinklig zueinander stehenden Achsen in radialer Richtung aktiv geregelt wird. Zwei unabhängige Regelschleifen sind dazu erforderlich. Die Achse in axialer Richtung wird mit Hilfe von Permanentmagneten passiv stabilisiert. Dieses Lagerprinzip führt zu einem flachen Aufbau mit weniger Volumen. Drei dieser Räder passen so unter die Treibstofftanks des Satelliten. Darüberhinaus ist das Verhältnis zwischen speicherbarem Drehimpuls und verwendeter Masse sehr gut, weil Teile des Lagers und des Motors im Rotor zur Schwungmasse beitragen. Zur Positionserkennung sind vier induktive Sensoren an der Außenseite des Rades im Abstand von 90 Grad angeordnet.

Permanentmagnete und Spulenmagnete werden im Lager verwendet. Die meisten Freiheitsgrade werden passiv durch Permanentmagnetkräfte kontrolliert, was Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und Stromverbrauch hat. Der Hauptteil des magnetischen Flußes zwischen Rotor und Stator wird von Seltene-Erden Permanentmagneten erzeugt und durch Spulenmagnete moduliert, um das Rad in seiner zentrierten Position zu halten. Kleine Unwuchten des Rades werden so ausgeglichen und die Kraft/Strom-Kennlinie durch Überlagerung der beiden Flüsse linearisiert [10]. Seltene-Erden Permanentmagnete haben zudem durch ihre hohe Energiedichte Vorteile in Bezug auf Gewicht und Volumen.

Abbildung 1: Schematischer Schnitt durch das Magnetlager

Abbildung 1 zeigt einen Querschnitt des Lagers. Ein magnetischer Basisfluß wirkt durch den Luftspalt, Linien A1 und A2. Dieser Basisfluß hält das Gewicht des Rades in axialer Richtung. Wenn das Rad nicht zentriert ist, wird eine destabilisierende Kraft durch die Permanentmagnete erzeugt, die das Rad immer weiter von der Achse wegzieht. Die Regelelektronik erkennt diese Bewegung durch die Positionssensoren an der Radaußenseite und erzeugt einen Korrekturfluß B, indem die Spulen im Stator bestromt werden. Im Luftspalt von Abbildung 1 würde dieser Korrekturfluß den Gesamtfluß auf der linken Seite mit dem engen Luftspalt vermindern und auf der rechten Seite mit dem weiten Luftspalt verstärken. Die Summe der Kräfte zentriert schließlich das Rad wieder.

Eine Zeichnung der Radkonstruktion ist in Abbildung 2 zu sehen. Die Schwungmasse ist der Rotor, der gleichzeitig die Permanentmagnete für den Motor enthält. Die Motormagnete sind in einem umlaufenden "C"-förmigen Stahlring untergebracht, der Teil des Rotors ist und mit zur trägen Masse beiträgt. Der Rotor selbst ist aus Aluminium hergestellt und enthält Löcher auf der Oberseite zur Gewichtsreduktion und zur Erkennung der Radposition mit induktiven Sensoren. Dies ist wichtig für den Antrieb.

Auf der Innenseite des Rades befindet sich ein weiterer "C"-förmiger Stahlring (1a) mit einer Füllung aus Kunststoff (1h), die als radiales Fanglager im Falle eines Stromausfalles oder beim Start wirkt. Die Flußplatten des Stators dürfen keinesfalls den Stahlring berühren, weil sonst das Rad aufgrund der entstehenden magnetischen Feldstärken nicht mehr zentriert werden könnte. Das Fanglager verhindert diese Berührung und sorgt für einen minimalen Luftspalt. Die axiale Steife wird durch abgeschrägte Kanten der Metallteile im Luftspalt erhöht.

Abbildung 2: Zeichnung des magnetisch gelagerten Rads

Abbildung 3: Explosionszeichnung des Stators

Eine Explosionsdarstellung des Stators wird in Abbildung 3 gezeigt. Die Permanentmagnete sind zwischen den Flußplatten in einer Kunststoffhalterung angeordnet. Die Flußplatten bestehen aus Kobalt-Eisen, alle anderen Metallteile aus Stahl. Spulen und Deckplatten sind symmetrisch angeordnet und der Gesamtaufbau wird durch einen Messigbolzen mit einer Nut und einer Scheibe auf der Grundplatte befestigt.

Die magnetische Finite-Elemente Simulation

Die Entwicklung des magnetisch gelagerten Schwungrades wurde durch eine Finite-Elemente (FE) Simulation unterstützt. Das verwendete Programm heißt MAFIA und basiert auf der Finiten IntegrationsTechnik (FIT) zur Lösung der Maxwell'schen Gleichungen.

Die magnetische finite-Elemente Simulation erlaubte die Entwicklung eines fertigen Testmodels des Rades innerhalb von nur drei Monaten. Später wurden drei Flugversionen mit kleineren Änderungen gegenüber der ursprünglichen Konstruktion gebaut. Ohne vorhergehende Simulationen wäre die Entwicklung sehr viel teurer und zeitintensiver geworden, weil wahrscheinlich mehrere Testmodelle erforderlich gewesen wären. Darüberhinaus konnten voraussichtliche Werte für die magnetische Flußdichte, die Kräfte und der Steifheitsparameter ermittelt werden - bevor das erste Stück Metall gedreht wurde. So wußten wir ohne Messungen, daß die Konstruktion prinzipiell funktioniert. In diesem Stadium des Projekts war es natürlich auch einfach, Änderungen zu simulieren und deren Auswirkungen zu beurteilen.

Abbildung 4: Simulierte Kraft/Weg-Kennlinie in axialer Richtung

Abbildung 5: Simulierte destabilisierende Kraft der Permamentmagnete in radialer Richtung

Ein kritischer Punkt bei der Entwicklund des Magnetlagers waren magnetische Sättigungseffekte in den Metallteilen. Sättigung tritt dann auf, wenn die magnetische Flußdichte im Metall zu hoch wird - ungefähr so, wie der Widerstand eines Drahtes sich erhöht, wenn der Strom für den Querschnitt zu hoch wird. Bei Elektromagneten steigt die verfügbare Kraft im Sättigungsfall nicht weiter an, wenn der Spulenstrom erhöht wird. In einem Testmodell kann man nicht in Metallteilen messen, da das Loch für die Magnetfeldsonde das Ergebnis verfälschen würde, aber man kann die Messung durch eine Simulation mit überraschender Genauigkeit ersetzen. Wenn man diese Simulationen genau durchführt, kann man das Lager im Bezug auf Masse, Kraft/Strom-Kennlinie und Steifheit optimieren. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die axiale Verschiebung beim Aufbringen einer Kraft in dieser Richtung und die destabilisierende Kraft der Permanentmagnete bei Verschiebung in radialer Richtung. Abbildung 4 zeigt, daß das Rad bei einem Gewicht von 3.66 kg um nur etwa 0.3 mm nach unten durchhängt - was natürlich nur beim Testen auf der Erde eine Rolle spielt. Zusätzlich ist diese Axiale Steifheit wichtig zur Dämpfung unerwünschter Schwingungen durch mögliche kleine Unwuchten des Rotors.

Abbildung 6: Magnetische Simulation im Luftspalt des Lagers; kein Spulenstrom, radiale Radverschiebung 0.7 mm

Abbildung 7: Magnetische Simulation im Luftspalt des Lagers; Spulenstrom (magneto-induktive Kraft) N x I = 2400 AW, radiale Radverschiebung 0.7 mm

Abbildungen 6 und 7 zeigen die Simulationsergebnisse für das Rad während des Einschaltens. Das Rad liegt im Fanglager und der Luftspalt ist auf einer Seite bei 180 Grad, 0.3 mm weit und auf der gegenüberliegenden Seite bei 360 Grad, 0.7 mm weit. Ohne Spulenstrom beträgt die magnetische Flußdichte, die proportional zur erzeugten Kraft ist, 1.38 Tesla bei 180 Grad und 0.46 Tesla bei 360 Grad. Das Rad wird mit 232 N Kraft an das Fanglager gedrückt.

Um das Rad wieder zu zentrieren, muß diese Kraft umgekehrt werden. Das geschieht, indem die magnetische Flußdichte bei 180 Grad auf 0.54 Tesla abgesenkt wird und bei 360 Grad auf 0.87 Tesla angehoben wird - mit Hilfe einer magneto-induktiven Kraft von 2400 AW in den Magnetspulen. Dabei wird eine entgegengesetzte, zentrierende Kraft von 87 N aufgebracht. Der Begriff magneto-induktive Kraft ist eine Größe, die für die Simulationen gebraucht wird. Mit ihr beschreibt man das Produkt aus der Windungszahl der Spulen und der verwendeten Stromstärke. Die Dimensionierung der Spulen erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt, wenn thermische Überlegungen angestellt worden und die Möglichkeiten der Steuerelektronik bekannt sind.

Abblidung 8: Simulierte Kraft-Strom Kennlinien für unterschiedliche radial Auslenkungen des Rads

Abbildung 8 zeigt die simulierte Kraft/Strom-Kennlinie für verschiedene radiale Positionen des Rades; dieses Diagramm ist wichtig für die Auslegung der Regelungstechnik, weil es den minimal erforderlichen Strom zur Zentrierung des Rades angibt. Die Regelung des Rades ist immer aktiv, da das Lager von seiner Konzeption aus ohne Regelung instabil ist und ohne Korrektur immer wieder in das Fanglager gezogen wird.

Die Regelungstechnik

Das Magnetlager erfordert eine aktive Regelung in zwei radialen Richtungen aufgrund der für die Lagerkonstruktion typischen Instabilität. Vier Sensoren sind auf der Grundplatte montiert, die ständig den Abstand zum Rotor messen. Diese Sensoren sind Spulen, die ihre Induktivität ändern, sobald sich der Abstand verändert. Sie werden in einer Brückenschaltung mit einer Frequenz von 500 kHz betrieben. Induktive Spulensensoren altern nicht und sind sehr widerstandsfähig gegen Weltraumstrahlung.

Abbildung 9: Die Regelschleife für eine Achse

Ein vereinfachtes Blockschaltbild der Regelschleife für eine Achse ist in Abbildung 9 gezeigt. Die Magnetspulen wurden für den bestmöglichen Wirkungsgrad ausgelegt, und ihre Zeitkonstante ist lang, verglichen mit der charakteristischen Frequenz w0 der Regelschleife. Um die Stabilität der Schleife zu erhöhen, wird eine innere Stromschleife verwendet, die den Pol der Spule aus der charakteristischen Gleichung entfernt, wie in Abbildung 10 zu sehen ist.

Abbildung 10: Die Regelschleife für den realisierten Regler

Das tatsächliche Regelsystem ist weitaus umfangreicher. Es gleicht Verkopplungen zwischen den zwei Achsen aus und dämpft unerwünschte Kipp-Schwingungen des Rades. Das Rad verhält sich unter allen normalen Beriebsbedingungen bedingungslos stabil.

Der Motor

Das Schwungrad wird von einem kontaktlosen drei-Phasen Gleichstrommotor angetrieben. Der Rotor "schwebt" im Magnetfeld des Magnetlagers und hat einen umlaufenden, "C"-förmigen Stahlring, der zur Innenseite hin geöffnet ist. In diesem Ring sind die Permanentmagnete des Motors montiert. Die Motorspulen sind fest auf der Grundplatte befestigt und ragen in den Ring hinein, ohne ihn zu berühren. Wenn Strom durch die Spulen fließt, so wirken die Magnetfelder der Spulen und der Permanentmagnete gegeneinander und ein Drehmoment wird aufgebracht, welches das Rad anteibt oder abbremst. Die Größe des Drehmoments wird durch die Motorelektronik bestimmt.

Seltene-Erden Magnete wurden für den Motor verwendet, da sie preiswert und verfügbar waren und dem Motor einen erheblich besseren Wirkungsgrad geben, verglichen mit herkömmlichen Ferritmagneten. Der magnetische Kreis des Motors wurde optimiert mit dem magnetischen Finite-Elemente Simulationsprogramm MAFIA, indem die Wandstärke und Geometrie des Eisenrings verkleinert wurde, ohne daß magnetische Sättigungseffekte auftreten können. Gleichzeitig wurde die magnetische Flußdichte im Bereich der Spulen optimiert, was ein besseres Verhältnis zwischen Drehmoment und Stromaufnahme zur Folge hat. Es wurde besonders darauf geachtet, daß magnetische Streufelder vermieden werden, die möglicherweise Wirbelströme verursachen könnten, was das Rad bremsen würde. Die Bauhöhe des Rades wird durch den Motor nicht erhöht, und die Motormasse liegt im Schwungrad soweit wie möglich außen, um so viel wie möglich zur Schwungmasse beizutragen.

Die Motorwindungen sind in zwei Epoxydharzstücke eingelegt und auf zwei gegenüberliegenden Stellen des Rades angeordnet. Auf diese Weise erhält man ein symmetrisches Drehmoment und ein redundantes Motorsystem. Drei Paar induktive Sensoren erzeugen die für die Motorelektronik notwendigen Signale zur Kommutierung. Sie tasten Durchgangslöcher im Rad ab, die auf der Oberseite des Rades angebracht sind und damit gleichzeitig Gewicht sparen. Die Ausgangssignale der Sensoren werden in der Motorelektronik ausgewertet und versorgen die Motorwindungen zum richtigen Zeitpunkt mit Strom. Außerdem kennt die Elektronik die Menge des gespeicherten Drehimpulses, was die Kontrolle des Satelliten durch den Bordcomputer erleichtert.

Rad Durchmesser: 280mm
Rotierende Masse: 3.66 kg
Trägheitsmoment: 0.049 kg x m^2
Motor Prinzip: drei-Phasen kontaktloser Gleichstrommotor
Kommutierungssensoren: Induktiv
Maximales Drehmoment: 30 mNm

Tabelle 2: Eigenschaften von Rad und Motor

Im Testbetrieb wurde ein maximales Drehmoment von 30 mNm erreicht, was eine Beschleunigung des Rades von 0 auf 3000 U/min in 8.5 Minuten erlaubt. Optional kann der Motor als Generator geschaltet werden, um Strom für das Magnetlager im Falle eines Stromausfalls zu erzeugen. Der Motor bremst dann das Rad langsam ab, bis die erreichte Drehzahl ein sicheres Aufsetzen im mechanischen Fanglager erlaubt.

Tabelle 2 faßt die Hauteigenschaften von Rad und Motor zusammen.

Erfahrungen mit dem Schwungrad

Die gemessenen und simulierten Daten des Schwungrad-Prototyps sind in Tabelle 3 zusammengefaßt. Drei flugfertige Versionen dieses Rades mit kleineren Änderungen wurden gebaut und werden in diesen Tagen getestet. In zukünftigen Versionen dieses Rades könnte die maximale Drehzahl von derzeit 3000 U/min erhöht werden, was das Drehimpulsspeichervermögen auch erhöhen würde; der gespeicherte Drehimpuls ist abhängig von der Masse des Rades, ihrer Verteilung, von der Geometrie und der Drehzahl. Die maximale Drehzahl des Rades hängt zunächst von dem mechanischen Fanglager ab, das ein zerstörungsfreies Abbremsen des Rades bei Stromausfall ermöglicht. Mit der Möglichkeit, den Motor als Generator zu betreiben, um Strom für das Lager zu erzeugen, kann man die maximale Drehzahl des Rades weiter erhöhen, ohne das Fanglager ändern zu müssen.

Allgemeine Daten Speicherkapazität: 15 Nms bei 3000 U/min
Gehäuseabmessungen: 400 x 300 x 100 mm
Max. Drehgeschwindigkeit von Phase 3-D: 6 Grad / Minute
Nenndrehzahl: 1000 U/min
Maximale Drehzahl: 3000 U/min
Magnetlager Typ: Radial aktiv, axial passiv
Durchmesser: 100 mm
Luftspaltweite: 1mm
Axiale Steife: 80 N/mm, 95 N/mm simuliert
Radiale Steife: 160 N/mm
Kippsteife: 0.4 Nm/rad
Fanglager Mechanische Bregrenzung: 0.3 mm, zwei Phenolringe in axialer und radialer Richtung
Schmierung: Ölimprägnierung
Max. Startbeschleunigung: 5.5g
Energieverbrauch Lager: Max. 5 Watt, 0-3000 U/min
Motor: Max 15 Watt bei 3000 U/min und max. Drehmoment
Masse Rotor: 3.66 kg
Stator: 2.5 kg
Kabel, Gehäuse: ca. 2.5 kg
Elektronik: 1 kg
Gesamt: unter 10 kg
Sensoren Lager: 4 in radialer Richtung mit 90 Grad Abstand auf dem Umfang
Kommutierung: 6 oberhalb des Rades
Nutation: 4 unterhalb des Rades
Alle Sensoren arbeiten induktiv.

Tabelle 3: Zusammenfassung der Daten des Schwungrades.

Testläufe haben gezeigt, daß das Rad keine kritischen Drehzahlen im angegebenen Drehzahlbereich hat. Darüberhinaus gibt es keine Drehzahlen, bei denen eine erhöhte Stromaufnahme festgestellt wurde. Das Rad zeigt auch keine Instabilitäten in einer beliebigen Betriebslage.

Die Stromaufnahme wurde unter Normaldruck gemessen. Bis zur Integration sind noch Vakuumkammertests in den Labors der ESA geplant um den Anteil der Wirbelstromverluste und die Stromaufnahme im Weltraum zu bestimmen. Die Wirbelstromverluste sollten nur einen kleinen Teil im Vergleich zu hauptsächlich durch Luftreibung verursachten Verlusten ausmachen. Zur weitgehenden Vermeidung dieser Verluste im Testbetrieb wurde bisher auf eine glatte Aluminiumoberfläche des Rades geachtet. Löcher zum Auswuchten und für die Sensoren wurden mit dünner Kaptonfolie abgeklebt. Darüberhinaus sind die Motormagnete in Kunststoff eingelegt. Mit diesen Maßnahmen sollte ein abschließender Test aller drei Räder auf dem Satelliten auf dem Boden möglich sein.

Abschließender Kommentar

Alle Ziele, die zur Entwicklung der Schwungräder geführt haben, wurden in kurzer Zeit erreicht. Der Prototyp des Rades funktioniert problemlos und zuverlässig. Für AMSAT bedeutet diese Technologie den Übergang der OSCAR-Satelliten zur drei-Achsen Stabilisierung auf Phase 3-D und möglichen zukünftigen AMSAT Missionen, mit vergleichsweise bescheidenen Budgets. Das vorgestellte Schwungrad kann noch bezüglich Masse, Volumen und Stromaufnahme optimiert werden, und kann als System der ersten Generation bezeichnet werden.

Abbildung 11: Photo des Prototyps

Die Autoren dieses Artikels möchten gern folgenden Personen herzlich für Ihre Unterstützung danken: Den Professoren Bernhard Cramer (DL3XC) und Wilmut Zschunke (DL9ZO), sowie dem Werkstattpersonal an der TH Darmstadt; Herrn Alan Robinson von der ESA, Michael Bartsch von der Firma CST in Darmstadt, die uns das Programm MAFIA zur Verfügung gestellt hat. In Marburg hat Konrad Müller (DG7FDQ) wesentliche Teile der Mechanik gefertigt, und Werner Haas (DJ5KQ) hat mit Chuck Green (N0ADI) die Elektronik des Rades gebaut und getestet. Zusätzlich hat uns die Firma Vakuumschmelze in Hanau mit Eisenmaterial und die Firma Hofman in Pfungstadt beim Auswuchten der Räder unterstützt.

Abbildung 12: Einbauposition der drei Schwungräder in Phase 3-D

Referenzen

[1] AMSAT-Phase 3-D: In verschiedenen Aufsätzen in AMSAT-DL Journal

[2] Studer, A.: Magnetic Bearings for Instruments in the Space Environment. NASA TMX-66111, January 1972.

[3] Studer, A.: Magnetic Bearings for Spacecraft. NASA Technical Memorandum 78046, Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland 1978.

[4] Robinson, A.A.: Magnetic Bearings - The Ultimate Means of Support for Moving parts in Space. ESA Bulletin 26, May 1981.

[5] Robinson, A.A.: A Leightweight, Low-Cost, Magnetic-Bearing Reaction Wheel for Satellite Attitude Control Applications. ESA Journal, Vol. 6, 1982.

[6] Earnshaw, S.: On the nature of molecular forces which regulate the constitution of the limiferous ether. Trans. of the Cambridge Philosophical Society, Vol. 7, 1842.

[7] Studer, P.A., Allaire, E.H., Sortore, C.K.: Low Power Magnetic Bearing Design for High Speed Rotating Machinery. International Symposium on Magnetic Suspension Technology, Hampton, Virginia, 1991. NASA Conference Publication 3152.