DE102013102493A1

DE102013102493A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abmindern von Drehschwingungen eines Rotors

Info

Publication number: DE102013102493A1
Application number: DE102013102493.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-09-18

Abstract

Zum Abmindern von Drehschwingungen eines Rotors (2), die einer Drehbewegung (4) des Rotors (2) um eine Drehachse (5) überlagert sind, wobei an einem Umfang (8) des Rotors (2) um die Drehachse (5) eine erste Abfolge erster Pole (7) ausgebildet wird, die sich in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) starr an dem Rotor (2) abstützen, wobei an einem dem Umfang (8) des Rotors (2) gegenüberliegenden Umfang (10) eines Massekörpers (9) eine zweite Abfolge magnetischer zweiter Pole (N, S) ausgebildet wird, die in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) an dem Massekörper (9) abgestützt sind, die im zeitlichen Mittel mit der Drehbewegung (4) des Rotors (2) um die Drehachse (5) umlaufen und die magnetische Kräfte auf die ersten Pole (7) der ersten Abfolge ausüben, und wobei der Massekörper (9) in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) von dem Motor mechanisch entkoppelt ist, wird die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) so ausgebildet, dass sie gegenphasige Drehschwingungen zu den abzumindernden Drehschwingungen (6) des Rotors (2) ausführt.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abmindern von Drehschwingungen eines Rotors, die einer Drehbewegung des Rotors um eine Drehachse überlagert sind, wobei an einem Umfang des Rotors um die Drehachse eine erste Abfolge erster Pole ausgebildet wird, die sich in Umfangsrichtung um die Drehachse starr an dem Rotor abstützen, wobei an einem dem Umfang des Rotors gegenüberliegenden Umfang eines Massekörpers eine zweite Abfolge magnetischer zweiter Pole ausgebildet wird, die in Umfangsrichtung um die Drehachse an dem Massekörper abgestützt sind, die im zeitlichen Mittel mit der Drehbewegung des Rotors um die Drehachse umlaufen und die magnetische Kräfte auf die ersten Pole der ersten Abfolge ausüben, wobei der Massekörper in Umfangsrichtung um die Drehachse von dem Rotor mechanisch entkoppelt ist.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung zum Abmindern von Drehschwingungen eines Rotors, die einer Drehbewegung des Rotors um eine Drehachse überlagert sind, wobei an einem Umfang des Rotors um die Drehachse eine erste Abfolge erster Pole ausgebildet ist, die sich in Umfangsrichtung um die Drehachse starr an dem Rotor abstützen, wobei an einem dem Umfang des Rotors gegenüberliegenden Umfang eines Massekörpers eine zweite Abfolge magnetischer zweiter Pole ausgebildet wird, die in Umfangsrichtung um die Drehachse an dem Massekörper abgestützt sind, die im zeitlichen Mittel mit der Drehbewegung des Rotors um die Drehachse umlaufen und die magnetische Kräfte auf die ersten Pole der ersten Abfolge ausüben, wobei der Massekörper in Umfangsrichtung um die Drehachse von dem Rotor mechanisch entkoppelt ist.
Eine derartige Vorrichtung weist also Merkmale auf, wie sie auch bei einer elektrischen Maschine vorhanden sind. Bei der vorliegenden Erfindung geht es jedoch zumindest primär nicht um die Bereitstellung eines Drehantriebs, sondern um die Abminderung von Drehschwingungen. Derartige Drehschwingungen können beispielsweise diejenigen einer Kurbelwelle oder einer anderen Abtriebswelle einer Brennkraftmaschine mit hoher Verdichtung sein.
STAND DER TECHNIK
Zum Abmindern von Drehschwingungen eines Rotors, die einer Drehbewegung des Rotors um eine Drehachse überlagert sind, sind insbesondere sogenannte Drehschwingungstilger bekannt. Drehschwingungstilger weisen in der Regel eine ringförmige Tilgermasse auf, die konzentrisch zu der Drehachse angeordnet und elastisch an den Rotor angekoppelt wird. Wenn dabei die aus der elastischen Ankopplung resultierende Tilgereigenfrequenz für Drehschwingungen der Tilgermasse um die Drehachse auf die abzumindernden Drehschwingungen abgestimmt wird, regen die abzumindernden Drehschwingungen gegenphasige Drehschwingungen der Tilgermasse an, deren Rückkopplung auf den Rotor die originären Drehschwingungen wie gewünscht abmindern. Derartige Drehschwingungstilger sind jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass sie nur im Bereich ihrer Tilgereigenfrequenz wirksam sind. Durch gezielte Einführung einer Dämpfung kann dieser Bereich zwar etwas aufgeweitet werden. Die Dämpfung reduziert aber einerseits die Wirksamkeit des Drehschwingungstilgers bei seiner Tilgereigenfrequenz, und sie führt andererseits zur Erwärmung des verwendeten Dämpfers. Bereitgestellt werden kann ein solcher Dämpfer durch Verwendung eines Elastomerwerkstoffs für die elastische Ankopplung der Tilgermasse an den Rotor, der eine innere Dämpfung aufweist. Elastomerwerkstoffe sind jedoch für eine Ankopplung der Tilgermasse an den Rotor nur bis zu begrenzten Amplituden der Drehschwingungen der Tilgermasse gegenüber dem Rotor geeignet. Um diese einzuhalten, müssen Anschläge zwischen dem Rotor und der Tilgermasse vorgesehen werden. Grundsätzlich gilt dies auch dann, wenn die Ankopplung der Tilgermasse über andere, beispielsweise metallische Federn an den Rotor erfolgt.
Zur Abminderung von Schwingungen eines Objekts sind neben passiven Schwingungstilgern grundsätzlich auch aktive Maßnahmen bekannt. Hierzu zählt es insbesondere, die Beschleunigungen des Objekts aufgrund der abzumindernden Schwingungen zu erfassen und dann mit Hilfe eines Aktuators gegenüber einer Inertialmasse Kräfte auf das Objekt aufzubringen, die zu den erfassten Beschleunigungen gegenphasig sind. Bei passender Phase und Amplitude dieser Kräfte können die abzumindernden Schwingungen durch destruktive Überlagerung vollständig ausgelöscht werden, d. h. das Objekt wird effektiv in Ruhe gehalten.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art, die dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 entspricht, und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art, die dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 12 entspricht, aufzuzeigen, die neue Möglichkeiten zum Abmindern von Drehschwingungen eines Rotors aufzeigen, die einer Drehbewegung des Rotors um eine Drehachse überlagert sind.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abmindern von Drehschwingungen eines Rotors, die einer Drehbewegung des Rotors um eine Drehachse überlagert sind, wobei an einem Umfang des Rotors um die Drehachse eine erste Abfolge erster Pole ausgebildet wird, die sich in Umfangsrichtung um die Drehachse starr an dem Rotor abstützen, wobei an einem dem Umfang des Rotors gegenüberliegenden Umfang eines Massekörpers eine zweite Abfolge magnetischer zweiter Pole ausgebildet wird, die in Umfangsrichtung um die Drehachse an dem Massekörper abgestützt sind, die im zeitlichen Mittel mit der Drehbewegung des Rotors um die Drehachse umlaufen und die magnetische Kräfte auf die ersten Pole der ersten Abfolge ausüben, wobei der Massekörper in Umfangsrichtung um die Drehachse von dem Rotor mechanisch entkoppelt ist, wird die die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole so ausgebildet, dass sie gegenphasige Drehschwingungen zu den abzumindernden Drehschwingungen des Rotors ausführt.
Dass der Umfang des Massekörpers, an dem die magnetischen zweiten Pole ausgebildet sind, dem Umfang des Rotors, an dem die ersten Pole ausgebildet sind, gegenüber liegt, kann mit sich in radialer und/oder axialer Richtung gegenüberliegenden Umfängen realisiert werden. Die Umfänge können also auch kreisringförmig um die Drehachse verlaufen.
Über die von den magnetischen zweiten Polen auf die ersten Pole ausgeübten magnetischen Kräfte und die gegenphasigen Drehschwingungen der zweiten Abfolge der zweiten magnetischen Pole werden Gegenkräfte hervorgerufen, die die abzumindernden Schwingungen wie gewünscht reduzieren. Indem die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole grundsätzlich mit dem Rotor um die Drehachse umläuft, wirkt sie nicht auch auf die gewollte Drehbewegung des Rotors ein, sondern nur auf die störenden Drehschwingungen des Rotors. Dadurch, dass die Ankopplung des Massekörpers, an dem sich die magnetischen zweiten Pole abstützen, in Umfangsrichtung um die Drehachse nur durch die magnetischen Kräfte der magnetischen zweiten Pole auf die ersten Pole gegeben ist, treten keine Probleme mit überlasteten Ankoppelelementen auf. Maximal kommt es zu einer relativen Drehbewegung zwischen dem Massekörper und dem Rotor von einer oder mehreren Perioden der ersten und zweiten Abfolge erster und zweiter Pole. So kann vorgesehen sein, dass sehr harte Drehschwingungen des Rotors, die mit hohen Beschleunigungen in Umfangsrichtung um die Drehachse einhergehen, von der zweiten Abfolge zweiter magnetischer Pole nicht mit vollzogen werden, insbesondere wenn diese harten Drehschwingungen im normalen Betrieb des Rotors nicht oder nur punktuell auftreten. Weiterhin ermöglicht es die mechanische Entkopplung des Massekörpers in Umfangsrichtung um die Drehachse von dem Rotor, die erfindungsgemäße Abminderung von Drehschwingungen des Rotors einzustellen, wenn die Amplitude der Drehschwingungen vernachlässigbar klein ist. Wenn die Ausbildung der zweiten Abfolge zweiter magnetischer Pole beendet wird, entfällt die Kopplung zwischen dem Massekörper und dem Rotor vollständig. Erst dann, wenn wieder signifikante Drehschwingungen auftreten, wird die Kopplung durch erneute Ausbildung der zweiten Abfolge magnetischer zweiter Pole wieder gezielt hergestellt. Die Art und Weise der magnetischen Ankopplung des Massekörpers in Umfangsrichtung um die Drehachse an den Rotor kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr unterschiedlich ausgeführt werden. Dies wird im Folgenden näher erläutert.
Beispielsweise können die ersten Pole der ersten Abfolge aus magnetischem Material ausgebildet werden, das keine permanente Magnetisierung aufweist und wobei auch keine Bewicklung der Pole vorgesehen ist, um diese auf elektrischem Wege magnetisch zu erregen.
Solche Pole können nach dem Reluktanz-Prinzip durch die magnetischen zweiten Pole magnetisiert werden.
Vielfach werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aber auch die ersten Pole als magnetische Pole ausgebildet werden. Die Ausbildung von Polen als magnetische Pole kann dabei jeweils unter Verwendung von Permanentmagneten oder unter Bestromung von Wicklungen auf elektrische Weise erfolgen. Letzteres ermöglicht nicht nur die bereits angesprochene temporäre Ausbildung von magnetischen Polen, sondern auch eine Trennung der Bewegung der ausgebildeten magnetischen Pole von den sie ausbildenden Wicklungen. Damit ist gemeint, dass ein magnetischer Pol beispielsweise den Umfang des Massekörpers entlanglaufen kann, ohne dass sich der Massekörper mit den daran angeordneten Wicklungen selbst bewegt, indem unterschiedliche Wicklungen in zeitlicher Abfolge geeignet bestromt werden. Wenn nicht nur die zweite Abfolge mit magnetischen zweiten Polen, sondern auch die erste Abfolge mit magnetischen ersten Polen ausgebildet wird, reicht es jedoch für die Realisierung dieser Möglichkeit aus, wenn die magnetischen Pole einer der beiden Abfolgen durch Bestromung von Wicklungen ausgebildet werden. Für die Pole der anderen Abfolge können dann Permanentmagnete verwendet werden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole so ausgebildet, dass die magnetischen zweiten Pole im zeitlichen Mittel ungleichnamigen magnetischen ersten Polen gegenüberliegen. Bei einem direkten radialen oder axialen Gegenüberliegen ungleichnamiger magnetischer Pole werden keine Relativkräfte zwischen dem Rotor und dem Massekörper hervorgerufen. Sobald jedoch Drehschwingungen des Rotors und gegenphasige Drehschwingungen der zweiten Abfolge der zweiten magnetischen Pole auftreten, verschieben sich die ungleichnamigen magnetischen Pole gegeneinander. Dies hat dann genau die Relativkräfte zwischen dem Massekörper und dem Rotor zur Folge, die die Drehschwingungen des Rotors abmindern.
Typischerweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole so ausgebildet, dass in Umfangsrichtung um die Drehachse immer ungleichnamige magnetische zweite Pole aufeinander folgen. Diese Abfolge weist dabei in aller Regel eine Periodenlänge auf, die ein Bruchteil einer vollen Drehung um die Drehachse entspricht. Die Periodenlänge kann sich aber auch über den gesamten Umfang um die Drehachse erstrecken.
Bei einer Gruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Phase der abzumindernden Drehschwingungen erfasst, und Wicklungen zur elektrischen Ausbildung der magnetischen zweiten Pole werden so bestromt, dass die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole gegenphasige Drehschwingungen zu den abzumindernden Drehschwingungen des Rotors ausführt. Dieses Vorgehen entspricht einer aktive Dämpfung der abzumindernden Drehschwingungen. Es versteht sich, dass dabei vorzugsweise nicht nur die Phase, sondern auch die Amplitude der abzumindernden Drehschwingungen erfasst und bei der Bestromung der Wicklungen zur elektrischen Ausbildung der zweiten Abfolge der magnetischen zweiten Pole so berücksichtigt wird, dass die Drehschwingungen des Rotors möglichst gegen null abgemindert werden.
Bei einer Untergruppe der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen eine aktive Dämpfung der abzumindernden Drehschwingungen betrieben wird, ruht der Massekörper, an dem sich die magnetischen zweiten Pole abstützen. D. h. hier wird von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, dass die Abfolge der zweiten magnetischen Pole durch zeitlich abgestimmte Bestromung verschiedener Wicklungen um die Drehachse umläuft, ohne dass die Wicklungen selbst mit um die Drehachse umlaufen. Entsprechend muss keine Drehlagerung für den Massekörper vorgesehen werden. Stattdessen kann die effektive Masse des Massekörpers und damit die Inertialmasse, an der sich die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole abstützt, dadurch stark erhöht werden, dass er starr an eine weitere ruhende Struktur, wie beispielsweise ein Gehäuse oder dergleichen, angekoppelt wird. Bei dieser Untergruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch besonders leicht zu realisieren, dass die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole so ausgebildet wird, dass auf den Rotor zusätzlich zu den Kräften zum Abmindern seiner Drehschwingungen ein gleichförmiges Drehmoment übertragen wird. Auf diese Weise kann zumindest ein Hilfsantrieb, möglicherweise aber auch der Hauptantrieb für den Rotor bereitgestellt werden.
Grundsätzlich kann auch bei den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit aktiver Dämpfung der Drehschwingungen des Rotors der Massekörper im zeitlichen Mittel mit der zweiten Abfolge der magnetischen zweiten Pole um die Drehachse umlaufen. Auch in diesem Fall kann er als Inertialmasse die magnetischen zweiten Pole abstützen, wobei es dann entscheidend auf sein Trägheitsmoment um die Drehachse ankommt.
Bei einer zweiten Gruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole so ausgebildet, dass sich die magnetischen zweiten Pole in Umfangsrichtung um die Drehachse starr an dem Massekörper abstützen, wobei der Massekörper als über magnetische Kräfte elastisch an den Rotor gekoppelte Tilgermasse eines Drehschwingungstilgers für die abzumindernden Drehschwingungen wirkt. Bei geeigneter Abstimmung der aus der magnetischen Ankopplung der Tilgermasse an den Rotor resultierenden Tilgereigenfrequenz dieses Drehschwingungstilgers auf die Frequenz der abzumindernden Drehschwingungen ist der Drehschwingungstilger bereits passiv wirksam, ohne dass aktiv für eine gegenphasige Drehschwingung des Massekörpers gegenüber den abzumindernden Drehschwingungen des Rotors gesorgt werden muss. Die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole kann daher bei konstanter Frequenz der abzumindernden Drehschwingungen konstant ausgebildet werden, wenn aus diese Ausbildung die gewünschte Tilgereigenfrequenz des Drehschwingungstilgers resultiert.
Die Abstimmung der Tilgereigenfrequenz auf die Frequenz der abzumindernden Drehschwingungen sollte zumindest auf plus/minus 20 %, vorzugsweise auf plus/minus 10 % oder 5 % genau sein. Eine genauere Abstimmung ist vorteilhaft. Häufig ist es aber günstig, keine vollständige Übereinstimmung zwischen der Tilgereigenfrequenz des Drehschwingungstilgers und der Frequenz der abzumindernden Drehschwingungen herzustellen, um die Amplitude der Drehschwingungen zu begrenzen, zu denen die Tilgermasse des Drehschwingungstilgers durch die abzumindernden Drehschwingungen des Rotors angeregt wird. Bei dieser Gruppe von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der von dem Prinzip eines passiven Drehschwingungstilgers Gebrauch gemacht wird, kann durch die Ausbildung der zweiten Abfolge der magnetischen zweiten Pole auch auf eine variable Frequenze der abzumindernden Drehschwingungen reagiert werden, wenn diese Frequenz beispielsweise mit der Drehzahl des Rotors ansteigt. Grundsätzlich kann der Drehschwingungstilger aber auch für eine einzige feste Tilgereigenfrequenz ausgelegt sein. Dazu können die erste und die zweite Abfolge der Pole jeweils ausschließlich unter Verwendung von Permanentmagneten ausgebildet werden.
Bei der Durchführung der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen der Massekörper ruht, d. h. selbst nicht um die Drehachse umläuft, kann auf bekannte elektrische Maschinen zurückgegriffen werden, insbesondere geschaltete Gleichstrommotoren und geschaltete Reluktanz-Motoren. Diese werden jedoch anders als üblich zumindest nicht nur zum Aufbringen von Antriebskräften, sondern primär zum Abmindern von Drehschwingungen des jeweiligen Rotors angesteuert.
Zur Durchführung der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen der Massekörper mit dem Rotor um die Drehachse umläuft, werden jedoch spezielle Vorrichtungen benötigt, die keinen Massekörper in Form eines bei einem Elektromotor üblichen Stators aufweisen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist entsprechend dadurch gekennzeichnet, dass der Massekörper um die Drehachse drehbar gelagert ist, wobei die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole so ausgebildet wird, dass sie gegenphasige Drehschwingungen zu den abzumindernden Drehschwingungen des Rotors ausführt.
Insbesondere können sich die magnetischen zweiten Pole in Umfangsrichtung um die Drehachse starr an dem Massekörper abstützen, wobei der Massekörper über magnetische Kräfte elastisch an den Rotor gekoppelt ist und als Tilgermasse eines Drehschwingungstilgers für die abzumindernden Drehschwingungen wirkt.
Die erste Abfolge der ersten Pole und/oder die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole können unter Verwendung von Permanentmagneten ausgebildet sein. Vorzugsweise ist aber zumindest eine der Abfolgen der ersten oder zweiten Pole unter Verwendung von bestrombaren Wicklungen ausgebildet, um die Stärke der magnetischen Kopplung des Massekörpers an den Rotor variieren zu können. Ein Schwingungssensor für die abzumindernden Drehschwingungen des Rotors kann bei Ausbildung eines passiven Drehschwingungstilgers genutzt werden, um die Tilgereigenfrequenz des Drehschwingungstilgers auf die Frequenz der abzumindernden Drehschwingungen abzustimmen. Bei einer Vorrichtung, die eine aktive Dämpfung des Rotors durch an dem mitrotierenden Massekörper abgestützte Kräfte realisiert, wird der Schwingungssensor genutzt, um Phase und Amplitude der Drehschwingungen des Rotors zu erfassen, um diese Kräfte gegenphasig und in passender Größe auszubilden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Element die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Element, zwei Elemente oder mehr Elemente vorhanden sind. Diese Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, aus denen das jeweilige Erzeugnis besteht.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 illustriert eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines an sich bekannten geschalteten Reluktanz-Motors.
2 illustriert eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines an sich bekannten geschalteten Gleichstrommotors.
3 illustriert eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drehbar gelagertem Massekörper und eine entsprechende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 illustriert eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eine entsprechende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
5 illustriert noch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eine entsprechende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
FIGURENBESCHREIBUNG
Ein in 1 dargestellter Reluktanz-Motor 1 weist einen Rotor 2 auf, der drehfest auf einer Welle 3 gelagert ist und eine mit einem Drehpfeil angedeutete Drehbewegung 4 um eine Drehachse 5 ausführt. Der Drehbewegung 4 sind durch einen Doppelpfeil angedeutete Drehschwingungen 6 des Rotors 2 um die Drehachse 5 überlagert. Um die Drehschwingungen 6 des Rotors 2 abzumindern, sind Pole 7 an einem äußeren Umfang 8 des aus magnetisierbarem Material ausgebildeten Rotors 2 ausgebildet. Die Pole 7 sind starr an dem Rotor 2 abgestützt und laufen mit diesem um die Drehachse 5 um. Die Pole 7 wirken mit magnetischen Polen zusammen, die an einem Massekörper 9 ausgebildet werden, und zwar an dessen dem Umfang 8 des Rotors 2 gegenüberliegenden innerem Umfang 10. Zur Ausbildung der magnetischen Pole an dem Massekörper 9 sind Wicklungen 11 vorgesehen, die auf Fortsätzen 12 des ebenfalls aus magnetisierbarem Material ausgebildeten Massekörpers angeordnet sind und bestromt werden. Das Bestromen erfolgt in zeitlicher Abfolge mit wechselnder Stromrichtung, so dass die magnetischen Pole N, S im zeitlichen Mittel mit dem Rotor 2 um die Drehachse 5 umlaufen, während der Massekörper 9 ruht. D. h. der Massekörper 9 ist der Stator des Reluktanz-Motors 1.
Zur Dämpfung der Drehschwingungen 6 des Rotors 2 wird die Abfolge der magnetischen Pole N, S mit gegenläufigen Drehschwingungen zu den Drehschwingungen 6 um die Drehachse 5 ausgebildet, die die Drehschwingungen 6 abmindernde Kräfte auf den Rotor 2 ausüben. Diese Gegenkräfte stützen sich an dem ruhenden Massekörper 9 ab. Zur Steuerung der Bestromung der Wicklungen 11 ist typischerweise zumindest ein (hier nicht dargestellter) Drehwinkelsensor für den Rotor 2 vorgesehen, der die Relativposition der Pole 7 gegenüber den mit den Wicklungen 11 versehenen Fortsätzen 12 des Massekörpers 9 erfasst. Zusätzlich kann ein (hier ebenfalls nicht dargestellter) Sensor vorgesehen sein, der speziell die Drehschwingungen 6 des Rotors 2 nach Phase und Amplitude erfasst, um die gegenläufigen Drehschwingungen der magnetischen Pole N, S mit der richtigen Phase und mit der richtigen Größe der resultierenden magnetischen Kräfte auf den Rotor 2 auszubilden.
In 2 ist ein geschalteter Gleichstrommotor 13 skizziert. Auch hier läuft ein auf einer Welle 3 drehfest angeordneter Rotor 2 um eine Drehachse 5 um, wobei seiner Drehbewegung 4 abzumindernde Drehschwingungen 6 überlagert sind. Am Außenumfang 8 des Rotors 2 sind magnetische Pole N, S mit Hilfe von Permanentmagneten 14 ausgebildet, wobei immer ungleichnamige magnetische Pole N, S in Umfangsrichtung um die Drehachse 5 aufeinander folgen. An einem dem Umfang 8 gegenüberliegenden inneren Umfang 10 eines Massekörpers 9 werden magnetische Pole N, S durch Bestromung von Wicklungen 11 auf Fortsätzen 12 des Massekörpers 9 ausgebildet, die im zeitlichen Mittel mit dem Rotor 2 um die Drehachse 5 umlaufen und dabei gegenphasige Drehschwingungen zu den Drehschwingungen 6 ausführen, um die Drehschwingungen 6 durch gegenphasige magnetische Kräfte abzumindern. Auch hier ruht der Massekörper 9 wie in 1, d. h. es handelt sich um den Stator des geschalteten Gleichstrommotors 13.
Die in 3 gezeigte Vorrichtung 15 weist einen Rotor 2 auf, der grundsätzlich genauso aufgebaut ist wie der Rotor 2 gemäß 2, auch wenn die Permanentmagnete 14 an seinem äußeren Umfang 8 anders dargestellt sind. Hier ist allerdings der Massekörper 9 ebenfalls drehbar um die Drehachse 5 gelagert, und zwar grundsätzlich frei drehbar. Der Massekörper 9 folgt mit seiner Drehbewegung 16 der Drehbewegung 4 des Rotors 2 aufgrund von magnetischen Kräften zwischen den magnetischen Polen N, S am äußeren Umfang 8 des Rotors 2 und magnetischen N, S an seinem inneren Umfang 10, wobei sich diese Pole in ungleichnamigen Paaren gegenüberliegen. Hier sind auch die magnetischen Pole N, S an dem Massekörper 9 durch Permanentmagnete 17 ausgebildet. Durch die magnetische Kopplung des Massekörpers 9 an den Rotor 2 weist der Massekörper 9 eine Eigenfrequenz für seine Drehschwingungen 18 um die Drehachse 5 relativ zu dem Rotor 2 auf. Wenn diese Eigenfrequenz gleich der Frequenz der Drehschwingungen 6 des Rotors 2 ist, wirkt der Massekörper 9 als Tilgermasse eines passiven Drehschwingungstilgers mit zu der Frequenz der abzumindernden Drehschwingungen 6 passender Tilgereigenfrequenz.
Die in 4 dargestellte Vorrichtung 15 entspricht grundsätzlich der Vorrichtung 15 gemäß 3, außer dass hier weniger Paare von ungleichnamigen Polen zwischen dem Rotor 2 und dem Massekörper 9 vorgesehen sind und dass die magnetischen Pole N, S an dem Massekörper 9 durch Bestromung von Wicklungen 11 auf Fortsätzen 12 des Massekörpers 9 ausgebildet sind. Hierbei erfolgt aber keine richtungsvariable Bestromung der Wicklungen 11, und auch die Größe des Stroms durch die Wicklungen 11 wird nur variiert, um unterschiedliche Tilgereigenfrequenzen durch unterschiedliche magnetische Ankopplung des Massekörpers 9 an den Rotor 2 zu realisieren.
Bei der in 5 gezeigten Vorrichtung ist der Rotor 2 genauso aufgebaut wie in 4. Der Massekörper 9 ist wie in den 3 und 4 um die Drehachse 5 drehbar gelagert, und seine Drehbewegung 16 entspricht im Mittel der Drehbewegung 4 des Rotors 2 um die Drehachse 5. Der Massekörper 9 dient hier jedoch nicht als Tilgermasse, sondern als umlaufende Inertialmasse, an der sich die magnetischen Pole N, S an seinem inneren Umfang 10 abstützen. Diese magnetischen Pole N, S stützen sich hier jedoch nicht starr an dem Massekörper 9, sondern können diesem gegenüber Drehschwingungen in Umfangsrichtung um die Drehachse 5 ausführen. Dazu sind jedem Permanentmagnet 14 des Rotors 2 zwei mit Wicklungen 11 versehene Fortsätze 12 des Massekörpers 9 zugeordnet. Durch unterschiedliche Bestromung der beiden Wicklungen 11 dieser beiden Fortsätze 12 kann die Lage des jeweiligen Pols N, S in Umfangsrichtung um die Drehachse 5 gegenüber dem Massekörper 9 variiert werden. Wenn diese Variation gegenphasig zu den Drehschwingungen 6 erfolgt, mindern die resultierenden magnetischen Kräfte zwischen dem Massekörper 9 und dem Rotor 2 die Drehschwingungen 6 ab.
Bezugszeichenliste

1: Reluktanz-Motor
2: Rotor
3: Welle
4: Drehbewegung
5: Drehachse
6: Drehschwingung
7: Pol
8: Umfang
9: Massekörper
10: Umfang
11: Wicklung
12: Fortsatz
13: Gleichstrommotor
14: Permanentmagnet
15: Vorrichtung
16: Drehbewegung
17: Permanentmagnet
18: Drehschwingung
N: magnetischer Pol
S: magnetischer Pol

Claims

Verfahren zum Abmindern von Drehschwingungen (6) eines Rotors (2), die einer Drehbewegung (4) des Rotors (2) um eine Drehachse (5) überlagert sind, – wobei an einem Umfang (8) des Rotors (2) um die Drehachse (5) eine erste Abfolge erster Pole (7, N, S) ausgebildet wird, die sich in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) starr an dem Rotor (2) abstützen, – wobei an einem dem Umfang (8) des Rotors (2) gegenüberliegenden Umfang (10) eines Massekörpers (9) eine zweite Abfolge magnetischer zweiter Pole (N, S) ausgebildet wird, die in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) an dem Massekörper (9) abgestützt sind, die im zeitlichen Mittel mit der Drehbewegung (4) des Rotors (2) um die Drehachse (5) umlaufen und die magnetische Kräfte auf die ersten Pole (7, N, S) der ersten Abfolge ausüben, und – wobei der Massekörper (9) in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) von dem Rotor (2) mechanisch entkoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) so ausgebildet wird, dass sie gegenphasige Drehschwingungen (18) zu den abzumindernden Drehschwingungen (6) des Rotors (2) ausführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Pole (N, S) auch als magnetische Pole (N, S) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) so ausgebildet wird, dass die magnetischen zweiten Pole (N, S) im zeitlichen Mittel ungleichnamigen magnetischen ersten Polen (N, S) gegenüberliegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) so ausgebildet wird, dass in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) immer ungleichnamige magnetische zweite Pole (N, S) aufeinander folgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abfolge der ersten Pole (N, S) und/oder die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) unter Verwendung von Permanentmagneten (14, 17) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase der abzumindernden Drehschwingungen (6) erfasst wird und dass Wicklungen (11) zur elektrischen Ausbildung der zweiten Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) so bestromt werden, dass die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) gegenphasige Drehschwingungen zu den abzumindernden Drehschwingungen (6) des Rotors (2) ausführt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Massekörper (9) ruht.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) so ausgebildet wird, dass auf den Rotor (2) zusätzlich ein gleichförmiges Drehmoment übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Massekörper (9) im zeitlichen Mittel mit der zweiten Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) um die Drehachse (5) umläuft.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) so ausgebildet wird, dass sich die magnetischen zweiten Pole (N, S) in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) starr an dem Massekörper (9) abstützen, wobei der Massekörper (9) als über magnetische Kräfte elastisch an den Rotor (2) gekoppelte Tilgermasse eines Drehschwingungstigers für die abzumindernden Drehschwingungen wirkt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) so ausgebildet wird, dass die Tilgereigenfrequenz des Drehschwingungstilgers plus/minus 10 % gleich einer Frequenz der abzumindernden Drehschwingungen ist.
Vorrichtung (15) zum Abmindern von Drehschwingungen (6) eines Rotors (2), die einer Drehbewegung (4) des Rotors (2) um eine Drehachse (5) überlagert sind, – wobei an einem Umfang (8) des Rotors (2) um die Drehachse (5) eine erste Abfolge erster Pole (7, N, S) ausgebildet ist, die sich in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) starr an dem Rotor (2) abstützen, – wobei an einem dem Umfang (8) des Rotors (2) gegenüberliegenden Umfang (10) eines Massekörpers (9) eine zweite Abfolge magnetischer zweiter Pole (N, S) ausgebildet wird, die in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) an dem Massekörper (9) abgestützt sind, die im zeitlichen Mittel mit der Drehbewegung (4) des Rotors (2) um die Drehachse (5) umlaufen und die magnetische Kräfte auf die ersten Pole (7, N, S) der ersten Abfolge ausüben, und – wobei der Massekörper (9) in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) von dem Rotor (2) mechanisch entkoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Massekörper (9) um die Drehachse (5) drehbar gelagert ist, wobei die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) so ausgebildet wird, dass sie gegenphasige Drehschwingungen (18) zu den abzumindernden Drehschwingungen (6) des Rotors (2) ausführt.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die magnetischen zweiten Pole (N, S) in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) starr an dem Massekörper (9) abstützen, wobei der Massekörper (9) über magnetische Kräfte elastisch an den Rotor (2) gekoppelt ist und als Tilgermasse eines Drehschwingungstigers für die abzumindernden Drehschwingungen (6) wirkt.
Vorrichtung (15) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abfolge der ersten Pole (N, S) und/oder die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) unter Verwendung von Permanentmagneten (14, 17) ausgebildet ist.
Vorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abfolge der ersten Pole (N, S) und/oder die zweite Abfolge der magnetischen zweiten Pole (N, S) unter Verwendung von bestrombaren Wicklungen (11) ausgebildet ist.
Vorrichtung (15) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwingungssensor für die abzumindernden Drehschwingungen (6) des Rotors (2) vorgesehen ist.