WO2016131446A1

WO2016131446A1 - Antriebsanordnung

Info

Publication number: WO2016131446A1
Application number: PCT/DE2016/100074
Authority: WO
Inventors: Harald Buchalla
Original assignee: Hanning Elektro-Werke Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2015-02-20
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2016-08-25
Also published as: US20180036745A1; DE102015102476A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für eine Rotationskörpereinrichtung umfassend eine drehbar in Bezug zu einer Drehachse gehaltene Welle, ein erstes Lagermodul und ein zweites Lagermodul mit jeweils wenigstens einem elastischen Stützelement zum Stützen der Welle, einen Elektromotor mit einem Stator und einen drehbar zu dem Stator vorgesehenen Rotor, welcher drehfest mit der Welle verbunden ist, eine elektrisch ansteuerbare Stabilisierungseinrichtung, welche derart auf den Rotor einwirkt, dass während der Rotation auf die Welle und den Rotor einwirkenden Störkräften entgegengewirkt wird, ein den Stator wenigstens abschnittsweise umgreifendes Gehäuse und eine Sensoreinheit zum Erfassen einer Verdrehung der Welle mit dem daran gehaltenen Stator, wobei wenigstens das erste Lagermodul einen mittels des wenigstens einen elastischen Stützelements nicht drehbar in Bezug zu der Drehachse gehaltenen Massekörper vorsieht und dass die Welle über ein Lager des ersten Lagermoduls drehbar an dem Massekörper abgestützt ist.

Description

Antriebsanordnung

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für eine Rotationskörpereinrichtung umfassend eine drehbar in Bezug zu einer Drehachse gehaltene Welle, ein erstes Lagermodul und ein zweites Lagermodul mit jeweils wenigstens einem elastischen Stützelement zum Stützen der Welle, einen Elektromotor mit einem Stator und einen drehbar zu dem Stator vorgesehenen Rotor, welcher drehfest mit der Welle verbunden ist, eine elektrisch ansteuerbare Stabilisierungseinrichtung, welche derart auf den Rotor einwirkt, dass während der Rotation auf die Welle und den Rotor einwirkenden Störkräften entgegengewirkt wird, ein den Stator wenigstens abschnittsweise umgreifendes Gehäuse und eine Sensoreinheit zum Erfassen einer Verdrehung der Welle mit dem daran gehaltenen Stator.

Aus der DE 10 2009 009 961 B4 ist eine gattungsgemäße Antriebsanordnung bekannt, welche beispielsweise in Laborzentrifugen zur Schwingungsreduzierung und

Stabilisierung eingesetzt wird. Es ist hierbei eine elastisch beziehungsweise weich gelagerte Welle vorgesehen, an der endseitig ein Rotationskörper gelagert ist und welche durch einen Elektromotor angetrieben wird. Zur elastischen Lagerung der Welle ist beispielsweise vorgesehen, dass die Welle stützende Kugellager im Bereich eines Außenrings der Kugellager über elastische Stützelemente, beispielsweise

Elastomerringe, gehalten sind, sodass die Wellenlagerung insgesamt weich wird. Dem Elektromotor ist eine Stabilisierungseinheit zugeordnet, welche einem Stator des Elektromotors zugeordnete Magnetstützglieder aufweist. Die Magnetstützglieder umfassen stromdurchflossene Wicklungen, welche elektrisch ansteuerbar sind und eine während des Betriebs etwa aufgrund einer Unwucht auf den Rotor wirkende Störkraft durch das Bereitstellen radialer Ausgleichskräfte reduzieren. Das Maß der Störkräfte wird hierbei identifiziert, indem sensorisch die Störkräfte verursachende Störeinflüsse erfasst und mittels der Stabilisierungseinrichtung ein zu dem sensorisch erfassten Störeinfluss korrespondierendes Störausgleichssignal bestimmt und an die Wicklungen der Magnetstützglieder übertragen wird. Insgesamt gelingt es so, den Hochlauf der Rotationskörpereinrichtung zu optimieren und insbesondere die

Schwingungsneigung derselben im Bereich Resonanzfrequenz zu reduzieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ausgehend von der

vorbeschriebenen Lösung eine Antriebsanordnung für eine Rotationskörpereinrichtung so weiterzubilden, dass ein stabiler und energetisch vorteilhafter Betrieb bei einer Betriebsdrehzahl oberhalb der Resonanzdrehzahl erreicht wird.

Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das erste Lagermodul einen mittels des wenigstens einen elastischen Stützelements nicht drehbar in Bezug zu der Drehachse gehaltenen Massekörper vorsieht und dass die Welle über ein Lager des ersten Lagermoduls drehbar an dem Massekörper abgestützt ist.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das Vorsehen des zusätzlichen Massekörpers die Rotationskörpereinrichtung mit der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in einem Nennbetriebspunkt dauerhaft energieeffizient betrieben werden kann. Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung begünstigt zugleich die Stabilität, da der an dem wenigstens einen elastischen Stützelement drehfest gehaltene Massekörper die Schwingungsneigung der Rotationskörpereinrichtung reduziert. Hierbei wirkt insbesondere das Gewicht des Massekörpers

Schwingungsreduzierend mit der Folge, dass vonseiten der Stabilisierungseinrichtung nur im reduzierten Umfang stabilitätsfördernd aktiv auf das rotierende System eingewirkt werden muss. Vielmehr ergibt sich eine Reduzierung der Störeinflüsse passiv durch das Vorsehen des als Teil des ersten Lagermoduls ausgeführten

Massekörpers. Der Massekörper ist hierbei als nicht rotierender Massekörper über das wenigstens eine elastische Stützelement festgelegt. Die rotierende Welle wiederum stützt sich über ein Lager des ersten Lagermoduls an dem Massekörper ab. Das den Massekörper tragende elastische Stützelement kann hierbei zugleich eine elastische, weiche Lagerung für die Welle realisieren. Auf einen zusätzlichen elastischen Körper, welcher beispielsweise zwischen dem die Welle stützenden Lager und dem

Massekörper montiert ist, kann insofern verzichtet werden.

Kern der Erfindung ist es insofern, durch das Vorsehen des elastisch abgestützten, rotationsfest gehaltenen Massekörpers die Schwingungsneigung der

Antriebsanordnung im Nennbetriebspunkt in passiver Weise positiv zu beeinflussen und die Maßnahmen zur aktiven Schwingungsdämpfung für den Hochlaufvorgang bis auf die Nenndrehzahl im Nennbetriebspunkt zu nutzen. Insofern reduziert sich der Energieaufwand zum Betrieb der Stabilisierungseinrichtung und die

Schwingungsamplitude im Nennbetriebspunkt wird reduziert. Die

Rotationskörpereinrichtung mit der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung kann demzufolge insbesondere bei hohen Drehzahlen im Drehzahlbereich oberhalb der ersten Resonanzfrequenz energiearm betrieben werden. Die Stabilisierungseinrichtung dient insofern zum einen dazu, der Schwingungsneigung der Antriebsanordnung während des Hochlaufens entgegenzuwirken. Zum anderen werden im

Nennbetriebspunkt Störeinflüsse, welche trotz des Vorsehens des Massekörpers beispielsweise infolge einer Unwucht auftreten, erforderlichenfalls durch das Aufprägen von Ausgleichskräften entgegenzuwirken. Die Intensität beziehungsweise Häufigkeit des aktiven Eingriffs ist dabei wesentlich weniger intensiv beziehungsweise geringer als bei der heute verwendeten Antriebsanordnung.

Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass ein elastisch gestützter, nicht mit der Welle rotierender Massekörper in besonders vorteilhafter Weise zu einer

Reduzierung der Schwingungsneigung der Antriebsanordnung beziehungsweise der Rotationskörpereinrichtung beiträgt. Die Betriebseigenschaften gestalten sich umso günstiger, je geringer ein senkrechter Abstand eines Schwerpunkts des Massekörpers von einer Wirkmittelebene des dem ersten Lagermodul zugeordneten Lagers bestimmt ist. Beispielsweise ist der Abstand des Schwerpunkts des Massekörpers von der Wirkmittelebene des ersten Lagers kleiner als ein wirksamer Lagerdurchmesser des ersten Lagers. Bevorzugt ist der Abstand des Schwerpunkts des Massekörpers von der Wirkmittelebene des ersten Lagers kleiner als der halbe wirksame Lagerdurchmesser des ersten Lagers. Besonders bevorzugt ist der Abstand des Schwerpunkts des Massekörpers von der Wrkmittelebene des Lagers kleiner als ein Dreißigstel des wirksamen Lagerdurchmessers des ersten Lagers. Im günstigsten Fall liegt der Schwerpunkt des Massekörpers in der Wirkmittelebene des ersten Lagers. Konstruktiv kann der senkrechte Abstand kleiner gewählt sein als 10 mm und bevorzugt kleiner sein als 1 mm. Die Wirkmittelebene des Lagers ist dabei definiert als die Ebene, in der in dem Lager auftretende Stützkräfte für ein Lagerersatzmodell eingeprägt werden. Die Wirkmittelebene kann mit einer geometrischen Mittelebene des Lagers

zusammenfallen beziehungsweise durch die Lage der Wälzkörper beziehungsweise die Wälzkörperkontaktpunkte eines Wälzlagers bestimmt sein. Der wirksame

Lagerdurchmesser bestimmt sich über einen funktionalen Wirkmittelpunkt des Lagers bezogen auf die Relativbewegung der Lagerkomponenten. Beim Wälzlager bestimmt sich der wirksame Lagerdurchmesser beispielsweise über einen geometrischen Mittelpunkt beziehungsweise eine Mittelachse der Wälzkörper. Bei einem Gleitlager wird auf eine ringförmige beziehungsweise zylindrische Grenzfläche zwischen den relativ bewegten Gleitflächen abgestellt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung liegt der Schwerpunkt des Massekörpers bezogen auf eine Ruhelage der Antriebsanordnung auf der Drehachse der Welle. Die Ruhelage der Antriebsanordnung ist definiert als die Lage, in der die Welle mit dem drehfest daran gehaltenen Rotor koaxial zur Drehachse orientiert ist. In der Ruhelage ist die Welle insofern weder parallel zur Drehachse verschoben, noch um eine senkrecht zur Drehachse orientierte Kippachse verschwenkt orientiert. Ein zwischen dem Stator und dem Rotor bestimmter Luftspalt des Elektromotors ist unter

Vernachlässigung von konstruktiv beziehungsweise montagetechnisch bedingten Toleranzen gleichmäßig in Umfangsrichtung ausgebildet.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das dem ersten Lagermodul zugeordnete Lager in einer Ausnehmung des Massekörpers vorgesehen. Vorteilhaft ergibt sich durch das Vorsehen des Lagers in der Ausnehmung des Massekörpers ein besonders kompakter, platzsparender Aufbau der Antriebsanordnung. Zugleich wird die

Symmetrie der Antriebsanordnung begünstigt und damit die Schwingungsneigung konstruktiv reduziert. Beispielsweise ist der Massekörper rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei das dem ersten Lagermodul zugeordnete Lager koaxial zu einer in der Ruhelage der Antriebsanordnung in die Drehachse erstreckten Symmetrieachse des Massekörpers erstreckt ist. Beispielsweise weist der Massekörper eine

kontinuierliche und bevorzugt eine bezogen auf die Drehachse und die Ruhelage konzentrische Masseverteilung auf. Die Symmetrieachse des Massekörpers ist bevorzugt deckungsgleich zur Drehachse der Welle orientiert, das heißt weder parallel verschoben zur Drehachse noch zu dieser gekippt angeordnet.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung entspricht ein Gewicht des Massekörpers wenigstens 10 % eines Gewichts der rotierenden Komponenten der

Rotationskörpereinrichtung. Bevorzugt entspricht das Gewicht des Massekörpers wenigstens 20 % des Gewichts der rotierenden Komponenten der

Rotationskörpereinrichtung. Vorteilhaft ist der Schwingungsneigung der

Antriebsanordnung beziehungsweise der Rotationskörpereinrichtung bei diesen Gewichtsverhältnissen in besonders effektiver Weise vorgebeugt. Zu den rotierenden Komponenten gehören neben der Welle der Rotor des Elektromotors sowie ein endseitig an der Welle festgelegter Rotationskörper der Rotationskörpereinrichtung, in den beispielsweise bei einer Laborzentrifuge Proben eingesetzt werden können.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind ein erster Positionsgeber der

Sensoreinheit benachbart zu dem ersten Lagermodul und ein zweiter Positionsgeber benachbart zu dem zweiten Lagermodul vorgesehen. Insbesondere sind als erster beziehungsweise zweiter Positionsgeber Weg- beziehungsweise Geschwindigkeits- beziehungsweise Beschleunigungssensoren vorgesehen. Beispielsweise sind der Rotor und die Positionsgeber zwischen den Lagermodulen vorgesehen. Insbesondere sind die Positionsgeber dem Rotor auf gegenüberliegenden Stirnseiten zugeordnet. Die Sensoren wirken derart mit der Sensoreinheit zusammen, dass aus den

Sensorsignalen aufseiten der Sensoreinheit eine Verschiebung der Welle senkrecht zur Drehachse detektiert beziehungsweise eine Verschwenkung um die Kippachse betragsmäßig beziehungsweise richtungsmäßig bestimmt wird. Durch das Vorsehen der zueinander in Richtung der Drehachse beabstandeten Positionsgeber kann durch eine Differenz- beziehungsweise Vergleichsmessung die Lage der Welle während des Betriebs exakt bestimmt werden. Bei Kenntnis der Lage der Welle können auf Basis der Signale der Positionsgeber von der Stabilisierungseinrichtung

Störausgleichssignale erzeugt werden, welche dazu dienen, über den Stator Ausgleichskräfte aufzuprägen und stabilisierend auf das die Welle und den Rotor umfassende rotierende System einzuwirken. Beispielsweise weist die

Stabilisierungseinrichtung in Umfangsrichtung um die Drehachse verteilt angeordnete, dem Stator zugeordnete Magnetstützglieder auf. Die Magnetstützglieder sind beispielsweise als stromdurchflossene Wicklungen ausgebildet und individuell derart ansteuerbar, dass eine den Störkräften entgegenwirkende radiale Ausgleichskraft erzeugt wird. Die Ausgleichskraft ist dabei betragsmäßig und richtungsmäßig auf die im Betrieb auftretenden Störkräfte abgestimmt.

Um die Verschiebung des dem ersten Lagermodul zugeordneten, elastisch gelagerten Massekörpers betragsmäßig zu begrenzen, können Anschläge für den Massekörper vorgesehen sein. Durch die Anschläge wird ein maximaler Verschiebeweg für den Massekörper so begrenzt, dass dieser kleiner ist als ein in dem Elektromotor zwischen dem Stator und dem Rotor gebildeter Luftspalt. Vorteilhaft wird hierdurch einer Beschädigung der Antriebsanordnung während des Betriebs auch bei großen

Unwuchtkräften zuverlässig entgegengewirkt.

Aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Dort erwähnte Merkmale können jeweils einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Die Zeichnungen dienen lediglich beispielhaft der

Klarstellung der Erfindung und haben keinen einschränkenden Charakter.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung für eine Rotationskörpereinrichtung mit einer elastisch gelagerten Welle und einem Massekörper nach dem Schnitt A-A,

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Antriebsanordnung nach Fig. 1 ,

Fig. 3 eine Visualisierung des physikalischen Wirkprinzips der erfindungsgemäßen

Antriebsanordnung, Fig. 4 eine Zuordnung eines Lagers der Antriebsanordnung zu dem elastisch gehaltenen Massekörper,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung in einer Schnittdarstellung,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der

erfindungsgemäßen Antriebsanordnung und

Fig. 7 eine Schnittdarstellung der Antriebsanordnung nach Fig. 6.

Eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung nach den Fig. 1 und 2 umfasst eine in der dargestellten Ruhelage im Wesentlichen vertikal orientierte Welle 1 , einen Elektromotor mit einem drehfest an der Welle 1 gehaltenen Rotor 2 und einen den Rotor 2 umgreifenden Stator 3, welcher in einem glockenförmigen Gehäuse 4 festgelegt ist, sowie ein erstes Lagermodul 5 und ein zweites Lagermodul 6 zum Stützen der Welle 1. Das erste Lagermodul 5 sieht einen Massekörper 7 vor, welcher die Welle 1

mantelseitig umgreift und über drei in Umfangsrichtung verteilt angeordnete elastische Stützelemente 8 nicht drehbar in Bezug zu der Welle 1 gehalten ist. An dem

Massekörper 7 ist eine Ausnehmung 9 gebildet, welche der Aufnahme eines dem ersten Lagermodul 5 zugeordneten Lagers 10 dient. Das Lager 10 ist exemplarisch nach Art eines Kugellagers gebildet, wobei ein feststehender äußerer Ring 1 1 des Lagers 10 an dem Massekörper 7 abgestützt ist und das Lager 10 mit einem inneren Ring 12 mit der Welle 1 verbunden ist. Im Bereich des ersten Lagermoduls 5 ist die Welle 1 insofern nachgiebig gelagert. Die Elastizität wird hierbei über die elastischen Stützelemente 8 bereitgestellt. In ähnlicher Weise wird die Welle 1 im Bereich des zweiten Lagermoduls 6 durch ein dem zweiten Lagermodul 6 zugeordnetes Lager 13 elastisch gestützt. Das Lager 13 ist ebenfalls nach Art eines Wälzlagers ausgebildet und über einen Elastomerring 14 an dem Gehäuse 4 abgestützt.

Die über die Lagermodule 5, 6 nachgiebig gestützte Welle 1 ist drehbar gehalten in Bezug auf eine Drehachse 15. An einem dem ersten Lagermodul 5 abgewandten freien Ende der Drehachse 15, welches aus dem Gehäuse 4 hinausgeführt ist, kann ein Rotationskörper, beispielsweise ein Probenaufnahmekörper, drehfest montiert werden. Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung ist insofern insbesondere Teil einer Rotationskörpereinrichtung, welche beispielsweise nach Art einer Laborzentrifuge ausgebildet ist.

Als Teil der Antriebsanordnung sind ferner eine nicht vollständig dargestellte

Sensoreinrichtung sowie eine nicht gezeigte Stabilisierungseinrichtung vorgesehen. Die Stabilisierungseinrichtung sieht eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung um die Drehachse 15 verteilt angeordnete, dem Stator 3 zugeordnete Magnetstützglieder vor, welche stromdurchflossene Wicklungen aufweisen und derart individuell elektrisch ansteuerbar sind, dass während des Betriebs der Antriebsanordnung auftretenden Störkräften vonseiten der Stabilisierungseinrichtung über die Magnetstützglieder aufgeprägte radial wirkende Ausgleichskräfte entgegenwirken. Mithilfe der

Stabilisierungseinrichtung können insofern im Betrieb auftretende Störeinflüsse reduziert und der Schwingungsneigung der Antriebsanordnung entgegengewirkt werden. Die Stabilisierungseinrichtung empfängt Mess- beziehungsweise

Steuersignale einer Sensoreinheit. Die Sensoreinheit dient dazu, eine Verdrehung der Welle 1 um die Drehachse 15 zu erfassen und zusätzlich eine Verkippung der Welle 1 um eine senkrecht zur Drehachse 15 orientierte Kippachse beziehungsweise eine Parallelverschiebung der Welle 1 senkrecht zur Drehachse 15 zu erfassen. Die Position der Welle 1 wird hierzu über einen Drehzahlgeber 16, einen ersten

Positionsgeber 17 und einen zweiten Positionsgeber 18 bestimmt. Der erste

Positionsgeber 17, welcher zwischen dem ersten Lagermodul 5 und dem Elektromotor vorgesehen ist, wirkt mit dem zweiten Positionsgeber 18, welcher zwischen dem Elektromotor und dem zweiten Lagermodul 6 vorgesehen ist, etwa im Wege einer Absolutmessanordnung derart zusammen, dass eine Verschiebung der Welle 1 senkrecht zur Drehachse 15 beziehungsweise eine Verschwenkung der Welle 1 um eine senkrecht zur Drehachse 15 orientierte Kippachse betragsmäßig

beziehungsweise richtungsmäßig bestimmt wird. Der erste Positionsgeber 17 und der zweite Positionsgeber 18 sind beispielsweise nach Art eines Weg-, Geschwindigkeits- beziehungsweise Beschleunigungssensors ausgebildet. Jeweils sehen die

Positionsgeber 17, 18 eine drehfest mit der Welle 1 verbundene Geberscheibe 17.1 , 18.1 sowie der Geberscheibe 17.1 , 18.1 zugeordnete Detektoren 17.2. 18.2 vor. Die Detektoren 17.2, 18.2 sind beispielsweise in Umfangrichtung verteilt der Geberscheibe der 17.1 , 18.1 zugeordnet oder ringförmig ausgebildet. Exemplarisch sind vorliegend vier Detektoren 17.2, 18.2 vorgesehen, welche in einer senkrecht zur Drehachse 15 erstreckten Messebene unter einem Winkel von 90° zueinander vorgesehen sind. Beispielsweise kann eine Messung mit nur zwei einander winkelversetzt zugeordneten Detektoren 17.2, 18.2 erfolgen. Die Detektoren sind in der Messebene beispielsweise um 90° versetzt zueinander angeordnet. Der Drehzahlgeber 16 ist der Welle 1 im Bereich des ersten Lagermoduls 5 stirnseitig zugeordnet. Er umfasst beispielsweise einen Hall-Sensor, welcher geeignet ist, die Drehzahl, den Drehwinkel

beziehungsweise die Drehrichtung der Welle 1 zu erfassen und einen mit dem Hall- Sensor zusammenwirkenden Inkrementalgeber. Beispielsweise ist der Hall-Sensor der Welle im Bereich des ersten Lagermoduls 5 stirnseitig zugeordnet und der

Inkrementalgeber an dem Massekörper 7 gehalten. Da der Massekörper 7 über das Lager 10 spielfrei und drehbar an der Welle 1 abgestützt ist, ergibt sich so eine exakte Positionszuordnung der Funktionskomponenten des Drehzahlgebers 16 auch dann, wenn die Antriebsanordnung während des Betriebs zu Schwingungen angeregt wird.

Aufgrund des Vorsehens der in Umfangsrichtung verteilt angeordneten elastischen Stützelemente 8 im Bereich des ersten Lagermoduls 5 und des Elastomerrings 14 im Bereich des zweiten Lagermoduls 6 ist die Welle 1 nachgiebig gelagert und in Bezug auf die für die Ruhelage der Antriebsanordnung definierte Drehachse 15 verschiebbar gelagert. Die Lagermodule 5, 6 ermöglichen insofern eine„weiche" beziehungsweise nachgiebige Lagerung der Welle 1. Durch die weiche Lagerung der Welle 1 wird im Zusammenwirken mit der Stabilisierungseinrichtung das Schwingungsverhalten der Antriebsanordnung insbesondere während des Hochlaufs im Bereich einer

Resonanzfrequenz oder im Dauerbetrieb bei der Betriebsnenndrehzahl positiv beeinflusst.

Im Betrieb wird es beispielsweise aufgrund einer unsymmetrischen Masseverteilung an dem Rotationskörper zu Störeinflüssen kommen, denen insbesondere während des Hochlaufvorgangs auf die Nenndrehzahl durch ein aktives Eingreifen über die

Stabilisierungseinrichtung entgegengewirkt wird. Insofern werden insbesondere im Bereich der Resonanzdrehzahl die Störeinflüsse beziehungsweise -kräfte sensorisch erfasst und über die Magnetstützglieder Ausgleichskräfte auf den Rotor 2 aufgeprägt, welche die Schwingung der Welle 1 mit dem daran gehaltenen Rotor 2 bedämpfen und die Schwingungsamplituden begrenzen. Im Nennbetriebspunkt ist eine aktive

Schwingungsdämpfung mithilfe der Stabilisierungseinrichtung grundsätzlich ebenfalls denkbar. Jedoch ist aufgrund der hohen Drehzahl der Energiebedarf zum Betrieb der Stabilisierungseinrichtung sehr hoch. Aus diesem Grund wird insbesondere im Bereich der Nenndrehzahl die Schwingungsneigung der Antriebsanordnung mit der weich gelagerten Welle 1 passiv durch das Vorsehen des Massekörpers 7 reduziert. Der Massekörper 7 ist hierzu über die elastischen Stützelemente 8 drehfest gehalten. Die Welle 1 , welche über das dem ersten Lagermodul 5 zugeordnete Lager 10 drehbar zum Massekörper 7 an ebendiesen abgestützt ist, kann zusammen mit dem

Massekörper 7 in einer senkrecht zur Drehachse 15 orientierten Schwingebene schwingen beziehungsweise verschoben werden. Ein maximaler Verschiebeweg 19 für den Massekörper 7 und die Welle 1 ist hierbei durch an dem Gehäuse 4 vorgesehene Anschläge 20 definiert. Der maximale Verschiebeweg 19 ist dabei kleiner als ein in dem Elektromotor zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 3 gebildeter Luftspalt 21.

Die elastischen Stützelemente 8 sind beispielsweise aus einem Elastomerwerkstoff gebildet. Die Stützelemente 8 können insbesondere aus elastomeren Vollmaterial hergestellt sein oder schichtweise durch elastomere und nicht-elastomere

Ringscheiben, die miteinander verbunden sind, gebildet werden. Die nicht-elastomeren Ringscheiben können beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein. Die Stützelemente 8 können beispielsweise quaderförmig beziehungsweise zylinderförmig realisiert sein. Vorliegend sind die elastischen Stützelemente 8 außerhalb des Gehäuses 4 montiert. Die elastischen Stützelemente 8 tragen den Massekörper 7 über im Wesentlichen horizontal erstreckte Arme 22.

Durch die entsprechende Komposition der Stützelemente 8 kann eine gezielte

Lagersteifigkeit beziehungsweise ein gewünschtes Dämpfungsmaß ausgebildet werden. Beispielsweise kann das Lager bezogen auf die Drehachse 15 radial weich und axial hart ausgeführt werden.

Der Elastomerring 14 des zweiten Lagermoduls 5 kann beispielsweise aus einem elastomeren Vollmaterial hergestellt sein. Beispielsweise kann eine Geometrie des Elastomerrings 14 so gewählt werden, dass für das zweite Lagermodul 6 eine definierte Steifigkeit beziehungsweise ein vorgegebenes Dämpfungsmaß eingestellt wird. Der Elastomerring 14 kann beispielsweise mäanderförmig realisiert werden.

Die grundlegende Idee der Erfindung wird in der Prinzipskizze nach Fig. 3 verdeutlicht. Wesentlich ist, dass der elastisch gelagerte Massekörper 7 über die elastischen Stützelemente 8 drehfest in Bezug zur Welle 1 gehalten ist. Die Welle 1 ist insofern über das dem ersten Lagermodul 5 zugeordnete Lager 10 an dem Massekörper 7 abgestützt. Im Bereich des zweiten Lagermoduls 6 wird vorliegend auf das Vorsehen eines Massekörpers 7 verzichtet. Das dem zweiten Lagermodul 6 zugeordnete Lager 13 ist insofern unmittelbar über den Elastomerring 14 nachgiebig gehalten. Dabei ist der Massekörper 7 nicht als rotierender Massekörper 7 realisiert, sondern über die elastischen Stützelemente 8 nachgiebig gehalten.

Fig. 4 zeigt exemplarisch die Dimensionierung des Massekörpers 7 und die Zuordnung desselben zu dem Lager 10 des ersten Lagermoduls 5. Das Lager 10 definiert durch seine Geometrie eine Wirkmittelebene 23. Ein senkrechter Abstand 24 eines

Schwerpunkts 25 ist allein zur Verdeutlichung überzeichnet dargestellt. Der senkrechte Abstand 24 ist erfindungsgemäß kleiner als ein wirksamer Lagerdurchmesser 31 des Lagers 10. Bevorzugt ist der Abstand 24 des Schwerpunkts 25 des Massekörpers 7 von der Wirkmittelebene 23 des Lagers 10 kleiner als der halbe wirksame

Lagerdurchmesser 31 des Lagers 10. Besonders bevorzugt ist der Abstand 24 des Schwerpunkts 25 des Massekörpers 7 von der Wirkmittelebene 23 des Lagers 10 kleiner als ein Dreißigstel des wirksamen Lagerdurchmessers 31 des Lagers 10. Beispielsweise ist der senkrechte Abstand 23 kleiner als 10 mm und bevorzugt kleiner als 1 mm. Besonders bevorzugt liegt der Schwerpunkt 25 in der Wirkmittelebene 23 des dem ersten Lagermodul 5 zugeordneten Lagers 10.

Vorliegend ist der wirksame Lagerdurchmesser 31 durch den Mittelpunktabstand der Kugeln des Kugellagers bestimmt. Abhängig von der Lagerbauform kann der wirksame Lagerdurchmesser 31 beispielsweise abstellen auf einen Mittelachsenabstand der Wälzkörper eines Rollen-, Tonnen- oder Nadellagers beziehungsweise einen

Durchmesser einer Gleitlagerbuchse.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Antriebsanordnung, welche insbesondere im Bereich des ersten Lagermoduls 5 abweichend gestaltet ist. Wie gehabt umgreift der Massekörper 7 die Welle 1 und definiert eine zur Aufnahme des Lagers 10 vorgesehene Ausnehmung 9. Die in Umfangsrichtung bezogen auf die Drehachse 15 verteilt angeordneten elastischen Stützelemente 8 sind in taschenförmige Ausnehmungen 26 des Massekörpers 7 eingesetzt, sodass sich ein besonders schlanker Aufbau ergibt und auf die bezogen zum Gehäuse 4 auskragenden Arme 22 verzichtet wird. Der Schwerpunkt 25 des Massekörpers 7 liegt in der Wirkmittelebene 23 des Lagers 10.

Gleiche Bauteile und Bauteilfunktionen sind durch gleiche Bezugszeichen

gekennzeichnet.

Nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der Fig. 6 und 7 ist der Elektromotor gehäuselos ausgebildet. Der Stator 3 ist zwischen zwei miteinander über Zuganker verbundene Gehäusesegmente 4.1 , 4.2 festgelegt. Die Gehäusesegmente 4.1 , 4.2 sind über drei in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete Kragarme 27 und den Kragarmen 27 zugeordnete Elastomerkörper 28 an einer Grundplatte 29 der Antriebsanordnung abgestützt. Ebenfalls ist der Massekörper 7 über die Arme 22 und die elastischen Stützelemente 8 an der Grundplatte 29 festgelegt. Die Welle 1 , welche über eine stirnseitige Öffnung 30 aus dem ersten Gehäusesegment 4.1 herausgeführt ist, ist zur Aufnahme eines nicht dargestellten Rotationskörpers ausgebildet. Der Rotationskörper weist auf einer der Antriebsanordnung zugewandten Unterseite desselben beispielsweise eine glockenförmige Ausnehmung auf, die der Glockenform der Antriebsanordnung angepasst ist und in die die Antriebsanordnung jedenfalls abschnittsweise hineinragt.

Beispielsweise stützt sich die Antriebsanordnung über die Kragarme 27 an einem ortsfest vorgesehenen Tragkörper, beispielsweise einem Labortisch ab. Die

Abstützung der Antriebsanordnung im Bereich der Kragarme 27 führt dann dazu, dass der Massekörper 7 über die Elastomerkörper 28, die Grundplatte 29 und die

Stützelemente 8 hängend bezogen auf den Elektromotor beziehungsweise den Stator 3 vorgesehen ist. Beispielsweise kann zum Festlegen der Antriebsanordnung eine Ausnehmung in dem Labortisch vorgesehen sein, welche hinsichtlich ihrer Geometrie so bestimmt ist, dass die Antriebsanordnung in die Ausnehmung eingesetzt und das erste Lagermodul 5 mit dem Massekörper 7 unterhalb einer durch den Labortisch definierten Arbeitsebene angeordnet wird.

Claims

Patentansprüche

1. Antriebsanordnung für eine Rotationskörpereinrichtung umfassend eine drehbar in Bezug zu einer Drehachse (15) gehaltene Welle (1), ein erstes Lagermodul (5) und ein zweites Lagermodul (6) mit jeweils wenigstens einem elastischen Stützelement (8) zum Stützen der Welle, einen Elektromotor mit einem Stator (3) und einen drehbar zu dem Stator (3) vorgesehenen Rotor (2), welcher drehfest mit der Welle (1) verbunden ist, eine elektrisch ansteuerbare Stabilisierungseinrichtung, welche derart auf den Rotor (2) einwirkt, dass während der Rotation auf die Welle (1) und den Rotor (2) einwirkenden Störkräften entgegengewirkt wird, ein den Stator (3) wenigstens abschnittsweise umgreifendes Gehäuse (4) und eine Sensoreinheit zum Erfassen einer Verdrehung der Welle (1) mit dem daran gehaltenen Stator (3), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das erste Lagermodul (5) einen mittels des wenigstens einen elastischen Stützelements (8) nicht drehbar in Bezug zu der Drehachse (15) gehaltenen Massekörper (7) vorsieht und dass die Welle (1) über ein Lager (10) des ersten Lagermoduls (5) drehbar an dem Massekörper (7) abgestützt ist.

2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein

senkrecht bestimmter Abstand (24) eines Schwerpunkts (25) des Massekörpers (7) zu einer Wirkmittelebene (23) des dem ersten Lagermodul (5) zugeordneten Lagers (10) kleiner ist als ein wirksamer Lagerdurchmesser (31) des dem ersten Lagermodul (5) zugeordneten Lagers (10) und bevorzugt kleiner ist als ein Dreißigstel des wirksamen Lagerdurchmessers (31) des dem ersten Lagermodul (5) zugeordneten Lagers (10) und dass der Schwerpunkt (25) des Massekörpers (7) besonders bevorzugt in der Wirkmittelebene (23) des dem ersten

Lagermoduls (5) zugeordneten Lagers (10) liegt.

3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dem ersten Lagermodul (5) zugeordnete Lager (10) in einer Ausnehmung des Massekörpers (7) vorgesehen ist.

4. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gewicht des Massekörpers (7) wenigstens 10 % eines Gewichts der rotierenden Komponenten der Rotationskörpereinrichtung entspricht und dass das Gewicht des Massekörper (7) bevorzugt wenigstens 20 % des Gewichts der rotierenden Komponenten der Rotationskörpereinrichtung entspricht..

5. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Stützelemente (8) vorgesehen sind.

6. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit ausgebildet ist zum Erfassung einer Verdrehung der Welle (1) um die Drehachse (15) und um wenigstens eine zu der Drehachse (15) senkrecht orientierte Kippachse.

7. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit einen Drehzahlgeber (16) und/oder einen

Drehwinkelgeber und/oder einen Positionsgeber (17, 18) für die Welle (1) vorsieht.

8. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Positionsgeber (17) der Sensoreinheit benachbart zu dem ersten Lagermodul (5) und ein zweiter Positionsgeber (18) für die Welle (1) benachbart zu dem zweiten Lagermodul (6) vorgesehen sind.

9. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Positionsgeber (17) und der zweite Positionsgeber (18) jeweils mindestens einen Weg- und/oder Geschwindigkeits- und/oder

Beschleunigungssensor vorsehen und mit der Sensoreinheit derart

zusammenwirken, dass eine Verschiebung der Welle (1) senkrecht zur

Drehachse (15) mittels des Positionsgebers (17, 18) detektiert und/oder die Verschwenkung um die Kippachse betragsmäßig und/oder richtungsmäßig bestimmt wird.

10. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Anschläge (20) zur Begrenzung einer Verschiebung des dem ersten Lagermodul (5) zugeordneten, elastisch gelagerten Massekörpers (7)

vorgesehen sind und/oder dass ein maximaler Verschiebeweg (19) für den Massekörper (7) kleiner ist als ein in dem Elektromotor zwischen dem Stator (3) und dem Rotor (2) gebildeter Luftspalt (21).

1 1. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch

gekennzeichnet, dass der an der Welle (1) drehfest gehaltene Rotor (2) des Elektromotors und der wenigstens eine der Welle (1) zugeordnete Positionsgeber (17, 18) der Sensoreinheit zwischen den zwei Lagermodulen (5, 6) vorgesehen sind und/oder dass die Positionsgeber (17, 18) dem Rotor (2) auf

gegenüberliegenden Stirnseiten zugeordnet sind.

12. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch

gekennzeichnet, dass das erste Lagermodul (5) und/oder das zweite Lagermodul (6) ein Wälzlager und/oder ein Gleitlager zum Stützen der Welle (1) vorsehen.

13. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch

gekennzeichnet, dass als elastisches Stützelement für das erste Lagermodul (5) und/oder für das zweite Lagermodul (6) ein Elastomerring (14) vorgesehen ist.

14. Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch

gekennzeichnet, dass die Stabilisierungseinrichtung in Umfangsrichtung um die Drehachse (15) verteilt angeordnete Magnetstützglieder aufweist, wobei die Magnetstützglieder als stromdurchflossene Wicklungen ausgebildet sind und individuell derart elektrisch ansteuerbar sind, dass eine den Störkräften entgegenwirkende radiale Ausgleichskraft erzeugt wird.

Verwendung einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ^' einer Laborzentrifuge, wobei an der Welle (1) ein Probenaufnahmekörper drehfest gehalten ist, welcher in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Aufnahmeausnehmungen für Laborproben vorsieht.