DE102009009961B4

DE102009009961B4 - Rotationskörper

Info

Publication number: DE102009009961B4
Application number: DE102009009961A
Authority: DE
Inventors: Ralf DE LA HAYE; Thomas Henke; Dr. Levermann Andreas; Prof. Dr. Amrhein Wolfgang; Dr. Silber Siegfried; Dr. Grabner Herbert
Original assignee: Hanning Elektro Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Hanning Elektro Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: US20100213777A1; DE102009009961A1; US8461735B2

Abstract

Rotationskörper mit einem Rotor (2), mit einem Elektromotor (4) enthaltend einen Ständer (10) und einen Läufer (7), wobei der Läufer (7) drehfest mit dem Rotor gekoppelt ist, mit einem Träger (17), an dem der Ständer (10) des Elektromotors (4) befestigt ist, mit einer Lagereinheit (18) zur drehbaren Lagerung des Läufers (7) um eine Drehachse (D), wobei die Lagereinheit (18) mindestens ein Lager (19) aufweist und wobei eine elektrisch ansteuerbare Stabilisierungseinrichtung (E) auf den Läufer (7) derart einwirkt, dass auf den Rotor (2) wirkende Störkräfte entgegengewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Stabilisierungseinrichtung (E) eine Anzahl von in Umfangsrichtung um die Drehachse (D) verteilt angeordnete Magnetstellglieder (21) aufweist, wobei die Magnetstellglieder (21) als stromdurchflossene Wicklungen (22, 22', 22'') ausgebildet sind und derart elektrisch ansteuerbar sind, dass eine die Störkräfte (U) verringernde radiale Ausgleichskraft (FX, FY) erzeugt wird, – dass die Wicklungen (22, 22', 22'') der Magnetstellglieder (21) mit einer Regel-/Steuereinheit (24) verbunden sind, – dass die Regel-/Steuereinheit (24) mit einer die Störeinflüsse aufnehmenden Sensoreinheit (27) verbunden ist, – dass die Regel-/Steuereinheit (24) in Abhängigkeit von mindestens einem an dem Eingang derselben anliegenden Sensorsignals (S) ein Störausgleichssignal (A) an die Wicklungen (22, 22', 22'') der Magnetstellglieder (21) überträgt, derart, dass Ausgleichskräfte (Fx, Fy) auf den Läufer (7) wirken zur Verringerung der auf den Rotor (2) wirkenden Störkräfte (U), und dass ein fest mit dem Rotor (2) und dem Läufer (7) verbundenes und innerhalb des Elektromotors (4) verlaufendes Rotationsteil (8) über ein elastisches Element (20) elastisch gelagert angeordnet und/oder elastisch ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskörper mit einem Rotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 28 33 893 A1 ist ein Rotationskörper bekannt, der über zwei radiale passive Magnetlager und ein axiales aktives Magnetlager drehbar gelagert. Die so gebildete magnetische Lagereinheit zur drehbaren Lagerung eines Läufers des den Rotationskörper antreibenden Elektromotors basiert somit ausschließlich auf Magnetlager.
Aus der DE 195 16 904 A1 ist ein als Laborzentrifuge ausgebildeter Rotationskörper bekannt, der über einen Zentrifugenrotor verfügt zur Aufnahme von Proben oder dergleichen. Zum Antrieb des Zentrifugenrotors ist ein Elektromotor mit einem Ständer und einem Läufer vorgesehen, wobei eine Welle des Elektromotors über eine Kupplung mit einem Schaft des Zentrifugenrotors verbunden ist. Um das Laufverhalten des Zentrifugenrotors zu verbessern und insbesondere unerwünschten Unwuchten bei hohen Drehzahlen desselben entgegenzuwirken, ist eine Lagereinheit mit Lagerelementen vorgesehen, so dass ein Rotorschaft des Zentrifugenrotors radial flexibel an einem den Elektromotor aufnehmenden Träger gehalten ist. Darüber hinaus ist die Kupplung flexibel ausgebildet, so dass sich der Zentrifugenrotor unabhängig von der Welle des Elektromotors mit einem der aktuellen Unwucht entsprechenden Achsversatz drehen kann. Nachteilig an dem bekannten Rotationskörper ist, dass er in axialer Richtung einen relativ großen Aufbau aufweist.
Aus der als nächstliegender Stand der Technik angesehenen US 5 921 150 A ist ein Rotationskörper mit einem Rotor sowie einem denselben antreibenden Elektromotor bekannt, der einen Ständer und einen Läufer aufweist. Der Läufer des Elektromotors ist drehfest mit dem Rotor verbunden. Der Rotor ist über eine Lagereinheit drehbar gelagert. Stirnseitig des Rotors ist eine elektrisch ansteuerbare Stabilisierungseinrichtung angeordnet, die ein magnetostriktives Bauelement mit einer Spule aufweist. Die Stabilisierungseinrichtung erzeugt eine axiale Stabilisierungskraft, die bei kritischen Drehzahlen des Elektromotors während des Anlaufens Vibrationen entgegenwirken soll. Die Höhe der axialen Stabilisierungskraft ist abhängig von der aktuellen Drehzahl der Welle, die mit einem Drehzahlmesser gemessen wird. Die Stabilisierung der bekannten Rotationskörpers wirkt ausschließlich in axialer Richtung. Für die Kompensation von Unwuchten, wie sie während des Betriebes des Rotationskörpers vorkommen können, reichen diese Maßnahmen jedoch nicht aus.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotationskörper derart weiterzubilden, dass auf wirksame Weise unerwünschte Störeinflüsse, insbesondere Unwuchten reduziert bzw. kompensiert werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch Vorsehen einer elektromagnetischen Stabilisierungseinrichtung eine wirksame Vermeidung bzw. Reduzierung von unerwünschten Vibrationen des Systems aufgrund von Unwuchten im Rotationskörper oder anderer Störeinflüsse erzielt wird. Die elektromagnetische Stabilisierungseinrichtung ermöglicht ein aktives und gezieltes Einwirken auf den Elektromotor, so dass nicht nur Unwuchtkräfte reduziert bzw. kompensiert werden, sondern auch Vibrationen im stehenden Teil des Elektromotors verhindert werden. Nach der Erfindung ist ein fest mit dem Rotor und dem Läufer verbundenes Rotationsteil über ein elastisches Element elastisch gelagert. Beispielsweise kann das Rotationsteil als eine Welle des Elektromotors ausgebildet sein und das elastische Element an ein Lagerelement des mechanischen Lagers angeformt sein, so dass eine elastische Aufhängung der Welle („weiches Lager”) gewährleistet ist. Nach der Erfindung wirken auf die Wicklungen des Ständers und/oder die Wicklungen der Magnetstellglieder eine Regel-/Steuereinheit, die in Abhängigkeit von Sensorsignalen ein Störausgleichssignal an die Wicklungen der Magnetstellglieder überträgt, so dass Ausgleichskräfte eingeprägt werden zur Verringerung der auf den Rotor wirkenden Störkräfte. Vorteilhaft kann hierdurch ein aktives Einwirken auf das Antriebssystem und/oder Magnetlagersystem in Abhängigkeit von der aktuellen Beladung des Rotors unter Verringerung insbesondere der statischen Unwucht erzielt werden. Nach der Erfindung weist die elektromagnetische Stabilisierungseinrichtung eine Anzahl von in Umfangsrichtung um die Drehachse verteilt angeordnete Magnetstellglieder auf, die sich in mindestens einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Eingriffsebene erstrecken und derart elektrisch ansteuerbar sind, dass Störkräften bzw. Störschwingungen des Rotors entgegengewirkt wird. Die Magnetstellglieder dienen als Korrektiv zur Vermeidung von unerwünschten Vibrationen des Elektromotors aufgrund von Unwuchten im Rotationskörper.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Magnetstellglieder axial versetzt zu der Lagereinheit angeordnet, so dass eine parallele Einleitung der mechanischen Kräfte erforderlich ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Lagereinheit ein mechanisches Lager und/oder ein elektromagnetisches Lager und/oder ein Fluidlager auf. Vorzugsweise wird ein mechanisches Lager mit der elektromagnetischen Stabilisierungseinrichtung kombiniert, so dass bei einer ungleichmäßigen Beladung des Rotors besonders wirksam einer statischen und dynamischen Unwucht entgegengewirkt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die Stabilisierungseinrichtung als eine piezoelektrische Stabilisierungseinrichtung ausgebildet sein, bei der ein Piezostellglied auf das mechanische Lager bzw. ein elastisches Element des Motors unmittelbar durch Berührung einwirkt. Durch Aufbringen einer Radialkraft vorgegebener Frequenz wird beispielsweise das elastische Element des Motors in Vibration versetzt, was zu einer entsprechenden Ausgleichskraft führt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen zum einen der Ständer des Elektromotors eine Anzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Wicklungen und zum anderen die Magnetstellglieder der elektromagnetischen Stabilisierungseinrichtung in Umfangsrichtung zwischen den Wicklungen des Ständers angeordnete Wicklungen auf, wobei die Wicklungen in einer gemeinsamen Radialebene verlaufen. Vorteilhaft sind die Wicklungen der Magnetstellglieder hierdurch platzsparend in dem Elektromotor integriert angeordnet. Alternativ können die Wicklungen der Magnetstellglieder in Axialrichtung versetzt zu den Wicklungen des Ständers angeordnet sein. Nach dieser Ausführungsform sind die Magnetstellglieder einzeln bzw. unabhängig von den Wicklungen des Ständers ansteuerbar.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung dienen Wicklungen des Ständers zusätzlich als Wicklungen für die Magnetstellglieder und besitzen somit eine Doppelfunktion. Durch die Regel-/Steuereinheit wird ein solches Spannungs- oder Stromsignal auf die Wicklungen eingeprägt, dass zum einen ein vorgegebenes Motordrehmoment und zum anderen eine vorgegebene radiale Ausgleichskraft zur Minimierung der auf den Rotor wirkenden Störkräfte erzeugt wird. Vorteilhaft wird hierbei die Drehmomentfunktion und die Störkräfteausgleichfunktion durch dieselben Wicklungen erzeugt, so dass der mechanische Aufbau vereinfacht und die Komplexität des mechanischen Aufbaus von Magnetstellgliedern (Magnetlager) und Elektromotor reduziert wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist in der Regel-/Steuereinheit ein Kraftreglermodul integriert, das ein solches auf die Wicklungen der Magnetstellglieder gesendetes Ausgleichssignal erzeugt, dass die auf den Rotor wirkenden Störkräfte im Wesentlichen kompensiert werden. Hierdurch wird erreicht, dass im Wesentlichen keine Kräfte auf den Rotor wirken.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist in der Regel-/Steuereinheit ein Positionsreglermodul angeordnet, so dass die Magnetstellglieder derart mit einem Steuersignal ansteuerbar sind, dass radiale Positionskräfte erzeugt werden, so dass der Läufer entlang einer vorgegebenen Trajektorie um den Massenmittelpunkt rotiert. Der Rotor wird hierbei positionsgeregelt betrieben, wobei sich der radiale Arbeitspunkt des Rotors derart verschiebt, dass sich die Welle drehzahlunabhängig um den Massenmittelpunkt dreht. Vorteilhaft kann der Rotor sehr ruhig im gesamten Drehzahlbereich laufen, wobei eine Resonanz im kritischen Drehzahlbereich verhindert wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Regel-/Steuereinheit ein Steifigkeitsmodul auf, so dass ein Steifigkeitsparameter drehzahlabhängig so verändert wird, dass die Störkräfte in einem Resonanzdrehzahlbereich des Rotors verringert sind. Vorteilhaft wird die Gesamtsteifigkeit der Lagerung des Elektromotors derart beeinflusst, dass der Elektromotor vorzugsweise mit einer relativ hohen Steifigkeit angefahren wird und kurz vor der Resonanzdrehzahl auf eine niedrigere Steifigkeit umgeschaltet wird. Dadurch wird der Resonanzdrehzahlbereich quasi übersprungen. Alternativ kann die Einstellung der Steifigkeit auch stufenlos erfolgen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Regel-/Steuereinheit ein Dämpfungsmodul auf, so dass ein Dämpfungsparameter drehzahlabhängig so verändert wird, dass die Dämpfung in einem Resonanzdrehzahlbereich des Rotors verringert ist. Durch diese Maßnahme kann die Dämpfung insbesondere im Resonanzdrehzahlbereich verringert werden, so dass unerwünschten, insbesondere statischen Umwuchtkräften entgegengewirkt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Rotor des Rotationskörpers eine Ausnehmung auf, in der zumindest teilweise das mechanische Lagerelement und/oder das Magnetlager und/oder ein Ständer und/oder ein Läufer des Elektromotors angeordnet sind. Die Erfindung ermöglicht somit einen platzsparenden Antrieb für einen Rotationskörper.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Axialschnitt durch einen Rotationskörper, der mit einem Innenläufermotor antreibbar ist,
2a einen schematischen Radialschnitt durch den Innenläufermotor gemäß 1, der mittels einer ein Kraftreglermodul aufweisenden Regel-/Steuereinheit ansteuerbar ist,
2b ein Diagramm der Lagerkräfte über die Zeit ohne Kompensation (G1) und bei exakter Kompensation (G2) der Unwuchtkräfte,
3 eine schematische Darstellung einer Parallelschaltung von Lagern unterschiedlichen Typs,
4 eine schematische Darstellung der Ansteuerung von Wicklungen des Innenläufermotors,
5 einen Axialschnitt durch einen Rotationskörper nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, der mit einem Außenläufermotor antreibbar ist,
6 einen Axialschnitt durch einen Rotationskörper nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, der mit einem Innenläufermotor antreibbar ist, wobei ein Läufer des Innenläufermotors über eine Montageplatte fest mit einem Zentrifugenrotor verbunden ist,
7 einen schematischen Radialschnitt durch einen Innenläufermotor, bei dem die Wicklungen des Ständers zugleich Magnetstellglieder bilden und wobei der Elektromotor durch eine ein Positionsreglermodul und/oder Kraftreglermodul und/oder Steifigkeitsmodul und/oder Dämpfungsmodul enthaltende Regel-/Steuereinheit ansteuerbar ist,
8 ein Blockschaltbild eines Steifigkeits- und Dämpfungsmoduls einer Regel-/Steuereinheit exemplarisch für eine X-Komponente der Ausgleichskraft F,
9a ein schematischer Radialschnitt durch einen Elektromotor nach einer weiteren Ausführungsform und
9b ein schematischer Radialschnitt eines Elektromotors in Segmentbauform.
Ein erfindungsgemäßer Rotationskörper kann in Textilmaschinen, Rührwerken, Haushaltsgeräten oder beispielsweise in Zentrifugen eingesetzt werden. Der Rotationskörper weist hierbei einen Rotor auf, der mittels eines Elektromotors entsprechend einer vorgegebenen Drehzahl in Rotation versetzt wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Rotationskörper als eine Laborzentrifuge 1 ausgebildet, die zur Aufnahme von Proben als Rotor einen Zentrifugenrotor 2 aufweist, der im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der vorzugsweise aufrecht angeordnete Zentrifugenrotor 2 weist auf einer Bodenseite 12 eine kegelstumpfförmige Ausnehmung 3 auf, in der zumindest teilweise ein Elektromotor 4 angeordnet ist. Die Ausnehmung 3 befindet sich in einem zentralen Bereich des Zentrifugenrotors 2, der einen Antriebsabschnitt 5 der Laborzentrifuge 1 bildet. In einem in radialer Richtung nach außen zu dem Antriebsabschnitt 5 benachbarten Arbeitsabschnitt 6 des Zentrifugenrotors 2 befinden sich nicht dargestellte Aufnahmen für die Proben.
Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß den 1 und 2 ist der Elektromotor 4 als ein Innenläufermotor ausgebildet, bei dem ein permanentmagnetischer Läufer 7 fest mit einem als eine Welle 8 ausgebildeten Rotationsteil verbunden ist, wobei die Welle 8 in einer zentralen Bohrung 9 des Zentrifugenrotors 2 drehfest mit demselben verbunden ist. Der als Synchronmotor ausgebildete Elektromotor 4 weist einen Ständer 10 auf, der sich mit in Umfangsrichtung um eine Drehachse D verteilt angeordneten Wicklungen 23, 23', 23'' unter Bildung eines Luftspaltes in radialer Richtung nach außen an den Läufer 7 anschließt. Der Ständer 10 erstreckt sich zwischen einem der Bodenseite 12 des Zentrifugenrotors 2 zugewandten ersten Lagerschild (A-Lagerschild 13) und einem der Bodenseite 12 abgewandten zweiten Lagerschild (B-Lagerschild 14) und ist über einen quer von einer Mantelfläche 15 des Elektromotorgehäuses 16 abragenden Querträger 17 ortsfest gehaltert.
Die Symmetrieachse der Welle 8 bildet die Drehachse D des Zentrifugenrotors 2. Die Drehachse D bildet zugleich die Symmetrieachse des Zentrifugenrotors 2.
Zur drehbaren Lagerung des Läufers 7 bzw. des Zentrifugenrotors 2 weist eine Lagereinheit 18 ein mechanisches Lager M auf, das sowohl an dem A-Lagerschild 13 als auch an dem B-Lagerschild 14 als mechanische Lagerelemente Kugellagerelemente 19 aufweist, an denen die Welle 8 geführt gelagert ist. Alternativ kann das mechanische Lagerelement auch als Gleitlagerelement ausgebildet sein. An einer in radialer Richtung äußeren Umfangsseite der Kugellagerelemente 19 ist ein elastisches Element 20 (Elastomer) angeformt. Das elastische Element 20 erstreckt sich zwischen den Kugellagerelementen 19 auf der einen Seite und einem Radialabschnitt des ersten Lagerschilds 13 bzw. zweiten Lagerschilds 14 auf der anderen Seite ist und ist in radialer Richtung elastisch ausgebildet, so dass eine elastische „Aufhängung” der Welle 8 an den Lagerschilden 13, 14 erzielt wird.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann statt des elastisch ausgebildeten mechanischen Lagerelementes 19, 20 auch die Welle 8 selbst elastisch ausgebildet sein.
Der Lagereinheit 18 ist eine elektromagnetische Stabilisierungseinrichtung E zugeordnet, die in dem Elektromotor 4 integriert angeordnet ist. Aus den 1 und 3 ist ersichtlich, dass das mechanische Lager M und das elektromagnetische Stabilisierungseinrichtung E in Axialrichtung der Welle 8 versetzt zueinander angeordnet sind. Es erfolgt somit eine parallele Einleitung einer Unwuchtkraft U, so dass im Gegensatz zu einer in radialer Richtung verschobenen Anordnung von elektromagntischer Stabilisierungseinrichtung E und mechanischem Lager M (Reihenschaltung) eine Kraftaufteilung erfolgen kann.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Lagereinheit auch ein elektromagnetisches Lager, und/oder ein Fluidlager und/oder ein piezoelektrisches Lager zusätzlich oder statt des mechanischen Lagers M aufweisen.
Die elektromagnetische Stabilisierungseinrichtung E umfasst ein Magnetlager 21, das aus einer Mehrzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Magnetstellgliedern 22, 22', 22'' gebildet ist, siehe 2a. Die Magnetstellglieder 22, 22', 22'' sind als stromdurchflossene Wicklungen ausgebildet, und zwar wie Wicklungen 23, 23', 23'' des Ständers 10. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Magnetstellglieder 22, 22', 22'' und die Wicklungen 23, 23', 23'' des Ständers 10 abwechselnd in Umfangsrichtung angeordnet. Die Magnetstellglieder 22, 22', 22'' sind beispielsweise – wie die Wicklungen 23, 23', 23'' – um 120° räumlich versetzt zueinander angeordnet. Die Magnetstellglieder 22, 22', 22'' sind vorzugsweise axial versetzt zu den Wicklungen 23, 23', 23'' des Ständers 10 angeordnet.
Den Wicklungen 22, 22', 22'', 23, 23', 23'' ist eine Regel-/Steuereinheit 24 zugeordnet, die zur Ansteuerung des Ständers 10 einerseits und zur Ansteuerung des Magnetlagers 21 andererseits ausgelegt ist. Die Regel-/Steuereinheit 24 ist mit einer Sensoreinheit 27 verbunden, die Beschleunigungssensoren, Wegsensoren etc. enthalten kann. Beispielweise kann die Sensoreinheit 27 einen Hall-Sensor aufweisen zur Ermittlung der aktuellen Drehzahl des Motors 4.
Die Sensoreinheit 27 weist Sensoren auf, so dass eine in 2a beispielhaft dargestellte Unwuchtkraft bzw. Unwuchtdrehmoment U ermittelt werden kann. Eine solche Unwuchtkraft U entsteht, wenn der Massenmittelpunkt nicht mehr auf der geometrischen Symmetrieachse (Drehachse D) des Rotors sitzt (statische Unwucht). Auch kann eine Unwuchtkraft U entstehen, wenn die Drehachse D nicht mit einer der stabilen Hauptträgheitsachsen des Zentrifugenrotors 2 übereinstimmt. Die Drehachse D kann insofern im Schwerpunkt gekippt angeordnet sein (dynamische Unwucht). Sobald ein Unwuchtdrehmoment U durch die Sensoreinheit 27 detektiert wird, wird ein entsprechendes Sensorsignal S an die Regel-/Steuereinheit 24 übertragen.
Das Sensorsignal S ist abhängig von der infolge der Unwuchtschwingung verursachten Auslenkung x, y des Schwerpunktes des Zentrifugenrotors 2 zu der Drehachse D. Wie besser aus 4 ersichtlich ist, weist die Regel-/Steuereinheit 24 ein Kraftreglermodul 26 auf, mittels dessen ein Störausgleichssignal A erzeugt wird, das an die Wicklungen 22, 22', 22'' der Magnetstellglieder 21 übertragen wird. Das Störausgleichssignal A kann beispielsweise ein Stromsignal I_K bilden, mittels dessen radiale Ausgleichskräfte F_x, F_y erzeugt werden, die die auf den Rotor 2 wirkenden Störkräfte U im Wesentlichen kompensieren. In 2b ist ein Graf G1 dargestellt, der den herkömmlichen Verlauf der Lagerkräfte darstellt. Es ist ersichtlich, dass in einem Resonanzdrehzahlbereich R erhöhte Lagerkräfte wirken. Durch Einsatz des Kraftreglermoduls 26 ergibt sich ein Graf G2, demgemäß die Lagerkräfte mit der Drehzahl stetig ansteigen. Durch diese Kompensation kann ein Resonanzfall vermieden werden.
Ein Drehzahl-Funktionsmodul 25 der Regel-/Steuereinheit 24 erzeugt ein solches Stellsignal I_D, mittels dessen der Motor entsprechend einer vorgegebenen Drehzahl angesteuert wird.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung gemäß 7 können die Magnetstellglieder durch Wicklungen 38, 38', 38'', 38''', 38 ^IV eines Ständers 40 gebildet sein, wobei die Wicklungen 38, 38', 38'', 38''', 38 ^IV mit einem Spannungs- oder Stromsignal I, I', I'', I''', I ^IV, I ^V gespeist sind, so dass zum einen ein vorgegebenes Motordrehmoment und zum anderen Störausgleichskräfte F_x, F_y erzeugt werden. Die aus dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ermittelten Stellstromstärken I_D, I_K werden somit überlagert. Hierbei ist kein gesondertes Steuermodul für den Ständer 10 und die Magnetstellglieder 21 erforderlich. Die Steuersignale I, I', I'', I''', I ^IV, I ^V für die Wicklungen 23, 23', 23'' des Ständers 10 und für die Wicklungen 22, 22' 22'' der Magnetstellglieder 21 werden quasi „in Software” überlagert.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Kraftreglermodul 26 kann die Regel-/Steuereinheit 24 ein Positionsreglermodul 28 aufweisen, mittels dessen die Wicklungen 22, 22', 22'' der Magnetstellglieder derart angesteuert werden, dass sie radiale Positionskräfte F_x, F_Y erzeugen, so dass der Läufer 7 entlang einer vorgegebenen Trajektorie um den Massenmittelpunkt rotiert. Beispielsweise kann das Positionsreglermodul einen PI-Regler aufweisen, so dass die Welle drehzahlunabhängig um den Massenmittelpunkt dreht. Der Läufer 7 wird somit positionsgeregelt um einen anderen Arbeitspunkt bewegt. Vorteilhaft treten keine Unwuchtkräfte U auf.
Nach der Ausführungsform gemäß 7 weist die Regel-/Steuereinheit 24 Mittel auf, so dass die Wicklungen des Ständers 10 und die Wicklungen des Magnetlagers 21 mit Strömen versorgt werden, so dass das vorgegebene Motordrehmoment unabhängig von der gewünschten radialen Ausgleichskraft K einstellbar ist. Hierbei ist kein gesondertes Steuermodul für den Ständer 10 und das Magnetlager 21 erforderlich. Die Steuersignale für die Wicklungen des Ständers 10 und für die Wicklungen des Magnetlagers 21 werden quasi „in Software” überlagert.
Vorteilhaft ermöglicht das in dem Elektromotor 4 integrierte Magnetlager 21 vorzugsweise zusammen mit dem mechanischen Lagerelement 19 eine Vermeidung von unerwünschten Vibrationen des Elektromotors, wobei eine Kompensation des Unwuchtmomentes U eintritt. Ein Taumeln der Drehachse D bzw. ein unerwünschtes radiales Verschieben der Drehachse D im Resonanzfall bei statischer Unwucht kann somit vermieden werden.
Nach einer zweiten Ausführungsform eines Elektromotors 4' gemäß 5 kann dieser als Außenläufermotor ausgebildet sein, wobei ein Ständer 30 mit Wicklungen 31 fest an einem Fuß 32 angeordnet ist. Ein permanentmagnetischer Läufer 33 weist ein glockenförmiges Gehäuse 34 auf, das auf einer dem Zentrifugenrotor 2 abgewandten Seite offen ausgebildet ist. Der Läufer 33 weist Permanentmagnete 35 auf, die sich unter Bildung eines Luftspaltes in radialer Richtung nach außen an die Wicklungen 31 des Ständers 30 anschließen. Das Gehäuse 34 ist fest mit einer Bodenseite 36 eines Zentrifugenrotors 37 verbunden. Das Gehäuse 34 ist auf einer dem Zentrifugenrotor 37 zugewandten Seite – wie nach dem ersten Ausführungsbeispiel – über ein mechanisches Lagerelement 20 und ein Kugellagerelement 19 an dem ortsfesten Fuß 32 des Ständers 30 abgestützt.
Gleiche Bauteile der Ausführungsbeispiele sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Elektromotor 4' lediglich eine mechanische Lagerstelle 19, 20 auf, die innerhalb der Ausnehmung 3 des Zentrifugenrotors 37 und relativ nah zur Bodenseite 36 desselben angeordnet ist. Das in dem Elektromotor 4' integrierte Magnetlager 21 erstreckt sich ebenfalls im Wesentlichen innerhalb der Ausnehmung 3. Das Magnetlager 21 ist in einer Radialebene angeordnet, die in einer Querschnittsebene des Zentrifugenrotors 2 verläuft.
Die Regel-/Steuereinheit 24 wirkt auf die Magnetstellglieder 22, 22', 22'' derart ein, dass dynamischen Unwuchten, bei denen die Drehachse D des Zentrifugenrotors 2, 37 eine Taumelbewegung durchführt, und statischen Unwuchten, bei denen die Drehachse D nicht durch den Schwerpunkt des Zentrifugenrotors 2 verläuft, entgegengewirkt wird.
In den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist das Magnetlager 21 axial versetzt zu dem mechanischen Lager 19, 20 angeordnet. Die mechanische Beanspruchung der beiden Lager ist hierbei geringer als bei einer Ausführung, bei der das mechanische Lager 19, 20 einerseits und das Magnetlager 21 andererseits in radialer Richtung nebeneinander angeordnet sind.
Nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung gemäß 6 ist der Elektromotor 4'' als ein Innenläufermotor ausgebildet, bei dem ein Läufer 43 über eine Montageplatte 44 fest an der Bodenseite 12 des Zentrifugenrotors 2 befestigt ist. Der Läufer 43 ist über das mechanische Lagerelement 20 und das Kugellagerelement 19 gegenüber einem ortsfesten Zapfen 46 abgestützt. Der Zapfen 46 erstreckt sich koaxial zur Drehachse D und ist an einem ortsfesten Träger 45 befestigt. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsform lediglich ein mechanisches Lager 19, 20 vorgesehen, das alternativ auch auf einer gegenüberliegenden Seite des Läufers 43 angeordnet sein kann. Vorteilhaft kann auf ein A-Lagerschild verzichtet werden, so dass der Elektromotor 4'' bzw. insbesondere der Läufer 43 und der Ständer 10 tiefer in die Ausnehmung 3 positioniert werden können. Der Elektromotor 4'' ist somit auf einer der Bodenseite 12 zugewandten Seite offen ausgebildet.
Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann das elastische Element 20 auch axial versetzt zu dem mechanischen Lagerelement 19 angeordnet sein.
Die Magnetstellglieder 21 sind vorzugsweise konzentrisch zu dem mindestens einem Lager der Lagereinheit 18 angeordnet.
Nach einer weiteren Ausführungsform einer elektrischen Ansteuerung der Magnetstellglieder 21 gemäß 8 enthält die Regelsteuereinheit 24 ein Steifigkeitsmodul und/oder ein Dämpfungsmodul, die nach dem in 8 dargestellten Prinzip arbeiten. Ausgehend von der Bewegungsgleichung m·ẍ + (d – K₂)·ẋ + (c – K₁)·x = 0, wobei

m: = Masse,
d: = Dämpfung,
c: = Steifigkeit

8

7

_x

_y

22

22'

22''

In Abhängigkeit von der Anwendung können die oben beschriebenen Steuermaßnahmen (Ansteuerungen der Magnetstellglieder 21) auch miteinander kombiniert werden.
Wie aus 9a ersichtlich ist, kann ein Elektromotor 50 als ein Innenläufermotor ausgebildet sein mit Ständerwicklungen 51 und einem permanent erregten Läufer 52. Der Ständer des Motors 50 weist einen magnetischen Rückschlussring 53 auf und ist in Umfangsrichtung geschlossen ausgebildet.
Alternativ kann gemäß 9b auch ein Elektromotor 55 mit einer segmentierten Bauform vorgesehen sein, wobei Spulen 56 des Ständers keine magnetische Kopplung aufweisen. Der Motor 55 ist ebenenfalls als ein Innenläufermotor ausgebildet, der über einen permanent erregten Läufer 57 verfügt.
Die Wicklungen der Spulen 51 des Innenläufermotors 50 können überlappend oder nicht überlappend angeordnet sein.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann der Elektromotor 4'' als ein flach – d. h. in axialer Richtung kurzbauender scheibenförmiger Motor (Scheibenläufermotor) oder als eine Transversalfluxmaschine ausgeführt sein. Der Elektromotor 4'' kann auch in diesem Fall in der Ausnehmung 2 angeordnet sein. Hierdurch wird die Bauhöhe der Zentrifuge 1 weiter reduziert.
Nach einer alternativen Ausführungsform kann die magnetisch wirksame Läuferkomponente, das heißt die Permanentmagneten des Motors, auch innerhalb des Zentrifugenrotors 2 angeordnet sein.
Nach einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Erfindung kann mindestens ein Magnetstellglied in einer ersten Eingriffsebene angeordnet sein, die zu der Drehachse D senkrecht verläuft. Mindestens ein weiteres Magnetstellglied ist in einer zweiten Eingriffsebene angeordnet, die axial versetzt und parallel zu der ersten Eingriffsebene verläuft. Der Abstand der ersten Eingriffsebene zu der zweiten Eingriffsebene ist derart groß gewählt, dass ein aufgrund der dynamischen Unwucht erzeugtes Kippmoment reduziert bzw. kompensiert werden kann.
Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung können die Magnetstellglieder 21 auch außerhalb des Elektromotors 4 angeordnet sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Störausgleichssignal A unter Erfassung von Strom- und/oder Spannungssignaländerungen des Elektromotors 4 und/oder der Magnetstellglieder 21 ermittelt werden. Beispielsweise können Induktivitätsänderungen bei der Verdrehung des Läufers 7 und/oder bei einer radialen Verschiebung des Läufers 7 erfasst und interpretiert werden, so dass durch Verarbeitung dieser Strom- und/oder Spannungssignaländerungen ein Sensorsignal S „nachgebildet” wird. Beispielsweise könnte hierdurch auf den Einsatz eines Beschleunigungssensors verzichtet werden. Die Magnetstellglieder 21 haben somit zusätzlich eine Sensorfunktion. Vorteilhaft kann hierdurch die Anzahl der Sensoren verringert bzw. minimiert werden.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung, wie sie bespielsweise in 7 dargestellt ist, kann ein Elektromotor mindestens ein Magnetstellglied aufweisen, das nicht nur zur Erzeugung einer die Störkräfte kompensierenden radialen Ausgleichskraft dient, sondern auch eine Umfangskraft erzeugt, mittels dessen der Rotor 2 antreibbar ist. Die Magnetstellglieder weisen hierbei eine Doppelfunktion auf, zum einen dienen sie zur Erzeugung der kompensierenden Radialkraft und zur Erzeugung des Motordrehmomentes. Es handelt sich hierbei um einen „lagerlosen” Elektromotor, der zusätzlich auch ein mechanisches Lager 19 – wie oben beschrieben – aufweisen kann.

Claims

Rotationskörper mit einem Rotor (2), mit einem Elektromotor (4) enthaltend einen Ständer (10) und einen Läufer (7), wobei der Läufer (7) drehfest mit dem Rotor gekoppelt ist, mit einem Träger (17), an dem der Ständer (10) des Elektromotors (4) befestigt ist, mit einer Lagereinheit (18) zur drehbaren Lagerung des Läufers (7) um eine Drehachse (D), wobei die Lagereinheit (18) mindestens ein Lager (19) aufweist und wobei eine elektrisch ansteuerbare Stabilisierungseinrichtung (E) auf den Läufer (7) derart einwirkt, dass auf den Rotor (2) wirkende Störkräfte entgegengewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Stabilisierungseinrichtung (E) eine Anzahl von in Umfangsrichtung um die Drehachse (D) verteilt angeordnete Magnetstellglieder (21) aufweist, wobei die Magnetstellglieder (21) als stromdurchflossene Wicklungen (22, 22', 22'') ausgebildet sind und derart elektrisch ansteuerbar sind, dass eine die Störkräfte (U) verringernde radiale Ausgleichskraft (F_X, F_Y) erzeugt wird, – dass die Wicklungen (22, 22', 22'') der Magnetstellglieder (21) mit einer Regel-/Steuereinheit (24) verbunden sind, – dass die Regel-/Steuereinheit (24) mit einer die Störeinflüsse aufnehmenden Sensoreinheit (27) verbunden ist, – dass die Regel-/Steuereinheit (24) in Abhängigkeit von mindestens einem an dem Eingang derselben anliegenden Sensorsignals (S) ein Störausgleichssignal (A) an die Wicklungen (22, 22', 22'') der Magnetstellglieder (21) überträgt, derart, dass Ausgleichskräfte (F_x, F_y) auf den Läufer (7) wirken zur Verringerung der auf den Rotor (2) wirkenden Störkräfte (U), und dass ein fest mit dem Rotor (2) und dem Läufer (7) verbundenes und innerhalb des Elektromotors (4) verlaufendes Rotationsteil (8) über ein elastisches Element (20) elastisch gelagert angeordnet und/oder elastisch ausgebildet ist.
Rotationskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Magnetstellglieder (21) in mindestens einer senkrecht zur Drehachse (D) verlaufenden Eingriffsebene erstrecken.
Rotationskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dass eine Umfangskraft zur Bildung eines den Rotor (2) antreibenden Motordrehmoments erzeugt wird.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetstellglieder (21) axial versetzt zu der La- gereinheit (18) angeordnet ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinheit (18) ein mechanisches Lager (M) und/oder ein elektromagnetisches Lager und/oder ein Fluidlager aufweist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationsteil (8) als eine Welle des Elektromotors (4) ausgebildet ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Lager (M) ein in radialer Richtung und/oder axialer Richtung ausgebildetes mechanisches Lagerelement (19) aufweist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Lagerelement (19) als ein Kugellagerelement oder als ein Gleitlagerelement ausgebildet ist, an dem an mindestens einer Umfangsseite das elastische Element (20) befestigt ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (20) axial versetzt zu dem mechanischen Lagerelement (19) angeordnet ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Magnetstellgliedern (22, 22', 22'') konzentrisch zu dem mindestens einen Lagerelement (19) der Lagereinheit (18) angeordnet ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungseinrichtung (E) in dem Elektromotor (4) integriert oder axial versetzt zu dem Elektromotor (4) angeordnet ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Magnetstellglied in einer zu der Drehachse (D) senkrecht verlaufenden ersten Eingriffsebene und mindestens ein weiteres Magnetstellglied in einer axial versetzt zu der ersten Eingriffsebene verlaufenden parallelen zweiten Eingriffsebene angeordnet ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (10, 30) eine Anzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Wicklungen (23, 23', 23'', 31) und dass die Magnetstellglieder (21) eine Anzahl von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Wicklungen (22, 22', 22'') aufweisen, die sich in Umfangsrichtung jeweils zwischen den Wicklungen (23, 23', 23'', 31) des Ständers (10, 30) erstreckt.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (22, 22', 2'') der Magnetstellglieder (21) in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung versetzt zu den Wicklungen (23, 23', 23'', 31) des Ständers (10, 30) angeordnet sind.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetstellglieder (21) durch Wicklungen (38, 38', 38'', 38''', 38 ^IV) des Ständers (40) gebildet sind, wobei die Wicklungen (38, 38', 38'', 38''', 38 ^IV) mit einem Spannungs- oder Stromsignal (I, I', I'', I''', I ^IV, I ^V) gespeist sind, derart, dass zum einen das vorgegebene Motordrehmoment (M_d) erzeugt und zum anderen eine radiale Ausgleichskraft (F_x, F_y) zur Minimierung der auf den Rotor (2) wirkenden Störkräfte erzeugt werden.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regel-/Steuereinheit (24) ein Kraftreglermodul (26) integriert ist, derart, dass das mindestens eine Magnetstellglied (21) mittels eines Störausgleichssignals (A) derart angesteuert wird, dass radiale Störausgleichskräfte (F_x, F_y) die auf den Rotor (2) wirkenden Störkräfte im Wesentlichen kompensieren.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regel-/Steuereinheit (24) ein Positionsreglermodul (28) integriert ist, derart, dass das mindestens eine Magnetstellglied (21) derart zur Erzeugung von radialen Positionskräften (F_x, F_y) angesteuert ist, dass die Achse des Läufers (7) entlang einer vorgegebenen Trajektorie, insbesondere um den Massenmittelpunkt, rotiert.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Steuereinheit (24) ein Steifigkeitsmodul aufweist, derart, dass ein Steifigkeitsparameter (K1) des Steifigkeitsmoduls drehzahlabhängig so veränderbar ist, dass die mindestens eine Resonanzfrequenz verstimmt wird und dadurch die Störkräfte (U) in einem Drehzahlbereich des Rotors (2) verringert werden.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel-/Steuereinheit (24) ein Dämpfungsmodul aufweist, derart, dass ein Dämpfungsparameter (K2) des Dämpfungsmoduls drehzahlabhängig so veränderbar ist, dass die Dämpfung in einem Resonanzdrehzahlbereich des Rotors (2) vergrößert wird.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (27) eine Anzahl von Beschleunigungssensoren und/oder Geschwindigkeitssensoren und/oder Wegsensoren aufweist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Störausgleichssignal (A) in Abhängigkeit von erfassten Strom- und/oder Spannungssignaländerungen des Elektromotors (4) und/oder der Magnetstellglieder (21) gebildet ist, wobei durch Verarbeitung der Strom- und/oder Spannungsänderungen ein Sensorsignal (S) nachgebildet wird.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetstellglieder (21) in einer Radialebene angeordnet sind, die in einer Querschnittsebene des Rotors (2) verläuft.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Magnetstellglied (21) innerhalb oder außerhalb des Elektromotors (4) angeordnet ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) als ein Zentrifugenrotor ausgebildet ist, der auf einer dem Elektromotor (4, 4') zugewandten Bodenseite (36) eine Ausnehmung (3) aufweist, in der das mechanische Lagerelement (19) und/oder die Magnetstellglieder (21) und/oder der Ständer (10, 30) teilweise oder vollständig und/oder der Läufer (7, 33) teilweise oder vollständig angeordnet sind.
Rotationskörper nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (3) derart tief angeordnet ist, dass der vorzugsweise scheibenförmig ausgebildete Elektromotor vollständig in der Ausnehmung angeordnet ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 25 dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor als ein Innenläufermotor (4) oder als ein Außenläufermotor (4'), ausgebildet ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer des Elektromotors (50, 55) in Umfangsrichtung geschlossen oder segmentiert ausgebildet ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (43) des Elektromotors direkt oder über ein Befestigungselement (44) drehfest mit dem Zentrifugenrotor (2) verbunden und über das mechanische Lagerelement (19) an dem ortsfesten Träger (45) abgestützt ist.
Rotationskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch wirksamen Läuferkomponenten des Motors innerhalb des Zentrifugenrotors (2) angeordnet sind.