DE102011078475B4

DE102011078475B4 - Dynamische Ausgleichsvorrichtung eines Rotationskörpers

Info

Publication number: DE102011078475B4
Application number: DE102011078475A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr. Amrhein Wolfgang; Dr. Silber Siegfried; Dr. Grabner Herbert; Thomas Stallinger
Original assignee: Hanning Elektro Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Hanning Elektro Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2031-07-01
Also published as: DE102011078475A1; US20130002063A1; US9197112B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begrenzen der Unwucht in einer Zentrifuge mit einem Elektromotor zum Antreiben eines in einem Gehäuse gelagerten Rotationskörpers um eine Drehachse, wobei ein Läufer des Elektromotors in dem Rotationskörper drehfest verbunden ist, mit einer Lagereinheit zur Lagerung des Läufers und des Ständers, mit einer Stabilisierungseinrichtung, die in Abhängigkeit von einer auf den Rotationskörper wirkenden Störkraft eine dieselbe auskompensierende Ausgleichskraft erzeugt, wobei die Lagereinheit Lagermittel aufweist, so dass der Ständer radial beweglich angeordnet ist, und dass die Stabilisierungseinrichtung in radialer Richtung außerhalb von dem Ständer und/oder von Lagermitteln der Lagereinheit angeordnet ist mit Stabilisierungsmitteln derart, dass eine radiale Ausgleichskraft erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den dynamischen Ausgleich eines Rotationskörpers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 198 02 950 A1 ist eine Vorrichtung zum Begrenzen der Unwucht in einer Zentrifuge bekannt, die einen in einem Rahmen drehbar gelagerten Rotationskörper aufweist. Der Rotationskörper wird mittels eines Elektromotors angetrieben, der an einem ersten Ende einer drehfest mit dem Rotationskörper verbundenen Welle angeordnet ist. An einem gegenüberliegenden Ende der Welle ist eine Stabilisierungseinrichtung angeordnet, mittels derer axiale Ausgleichskräfte auf die Welle ausgeübt werden können zur Dämpfung der Unwucht. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist, dass die Stabilisierung ausschließlich in axialer Richtung erfolgen kann.
Aus der DE 10 2009 009 961 A1 ist eine Vorrichtung zum Begrenzen der Unwucht in einer Zentrifuge bekannt, die einen Elektromotor zum Antreiben eines in einem Gehäuse gelagerten Rotationskörpers, eine Lägereinheit sowie eine Stabilisierungseinrichtung zur Erzeugung einer die infolge der Unwucht auftretenden Störkraft entgegenwirkenden Ausgleichskraft umfasst. Die Stabilisierungseinrichtung weist Magnetstellglieder auf, die über Strom durchflossene Wicklungsstränge verfügen, deren Stromstärke durch eine Regel-/Steuereinheit in Abhängigkeit von die Störkräfte detektierenden Sensoren eingestellt wird. Die Magnetstellglieder können zum einen in einem Ständer des Elektromotors integriert angeordnet sein, wobei ein Ständerstrom zugleich zur Erzeugung einer auf die Welle wirkenden radialen Ausgleichskraft dient. Zum anderen können die Magnetstellglieder auch in Umfangsrichtung versetzt zu den Ständerwicklungen angeordnet sein, so dass die Magnetstellglieder unabhängig von dem Ständer eine radiale Ausgleichskraft ausüben können. Der Stelleingriff erfolgt somit in einem zu der rotierenden Welle nahen Bereich.
Aus der DE 43 01 485 A1 ist eine Zentrifuge bekannt, bei der eine hydraulische Lagerabstützung vorgesehen ist, die auf eine Trommelwelle der Zentrifuge dämpfend einwirkt.
Aus der DE 10 2007 040 571 A1 ist eine Vorrichtung für den dynamischen Ausgleich eines Rotationskörpers bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Stabilisierungseinrichtung, die aus einer Stahlblechplatte, einer Aufnahme sowie aus einem Reibungsdämpfer besteht. Der Reibungsdämpfer weist einen Magneten auf, mittels dessen eine in Axialrichtung gerichtete Ausgleichskraft auf einen Elektromotor ausgeübt wird. Die Magnete sind in Drehrichtung des Rotationskörpers verteilt angeordnet, so dass bei einer Taumelbewegung des Rotationskörpers durch entsprechende Ansteuerung ausgewählter Magnete diese Taumelbewegung gedämpft werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung für den dynamischen Ausgleich eines Rotationskörpers, insbesondere zum Begrenzen der Unwucht in Rotationskörpern derart weiterzubilden, dass zur Vermeidung bzw. Reduzierung von unerwünschten Störeinflüssen, wie beispielsweise Unwuchten, Stelleingriffe wirksam auf vereinfachte Weise erfolgen können.
Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Stabilisierungseinrichtung zur Kompensation von auf einen Rotationskörper wirkende Störkräfte außerhalb eines Elektromotors angeordnet sein kann. Nach der Erfindung ist eine räumliche Entkopplung zwischen einer durch den Elektromotor bewirkten Drehmomenterzeugung und einer durch die Stabilisierungseinrichtung bewirkten radialen Ausgleichskrafterzeugung vorgesehen. Der Elektromotor kann in üblicherweise mit einem konstanten Luftspalt zwischen einem Ständer und einem Läufer ausgebildet sein. Dadurch, dass der Ständer radial beweglich angeordnet ist, kann die Ausgleichskraft auf den Ständer und von diesem über Lagermittel auf die Welle eingebracht werden. Grundgedanke der Erfindung ist es, die radiale Ausgleichskraft auf einen nicht rotierenden Teil des Elektromotors, nämlich auf den Ständer und/oder ein Lager aufzubringen. Nach der Erfindung ist der Ständer starr mit einem Trägergehäuse verbunden, das über elastische Lagermittel zumindest in radialer Richtung elastisch bewegbar angeordnet ist. Vorteilhaft wird hierdurch auf einfache Weise das Einbringen von radialen Ausgleichskräften auf den Ständer bzw. den Elektromotor ermöglicht.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ständer in radialer Richtung außenseitig über ein Elastomerlager mit der Stabilisierungseinrichtung gekoppelt. Vorteilhaft kann hierdurch die äußere Dämpfung erhöht werden, so dass hierdurch die Grenzdrehzahl für den stabilen Lauf des Rotationskörpers erhöht werden kann.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Stabilisierungseinrichtung und dem Ständer ein permanentmagnetisches Vorspannungsmittel angeordnet, so dass eine verbesserte Einleitung von Ausgleichskräften ermöglicht wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das den Elektromotor tragende Trägergehäuse über ein zusätzliches Adaptergehäuse an einem Gehäuse der Zentrifuge befestigt, wobei die Stabilisierungseinrichtung innerhalb des Trägergehäuses angeordnet ist. Vorteilhaft wird hierdurch eine Nachrüstbarkeit von Zentrifugen mit Unwucht dämpfenden Antrieben ermöglicht, da lediglich das Trägergehäuse über Befestigungsmittel starr an dem Zentrifugengehäuse zu befestigen ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach einer ersten Ausführungsform und
2 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Begrenzen der Unwucht kann in Zentrifugen, Textilmaschinen, Haushaltsgeräten oder in weiteren Rührwerken eingesetzt werden. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren einer Zentrifuge 1 mit in einem Bodenbereich derselben unterschiedlich ausgebildeten Unwuchtbegrenzungsvorrichtungen beschrieben.
Die Zentrifuge 1 weist üblicherweise ein Gehäuse 2 auf, in dem ein Rotationskörper 3 (Rotor) um eine vertikale Achse A mittels einer Antriebseinheit 4 (Elektromotor) in Drehung versetzbar ist. Das Gehäuse 2 der Zentrifuge 1 weist eine zylinderförmige Seitenwand 9 und eine untenseitige Bodenwand 10 auf und ist über von der Bodenwand 10 abragende Standfüße 11 zu einer horizontalen Stellfläche 12 beabstandet angeordnet. Die Antriebseinheit 4 befindet sich in einem Bodenkammerbereich 5 des Gehäuses 2, der über Trennwände 6 von einem oberen Bereich der Zentrifuge 1 abgeschlossen angeordnet ist. Lediglich über eine zentrale Bohrung besteht eine drehfeste Verbindung zwischen dem Rotationskörper 3 und einer Welle 7. Die Welle 7 erstreckt sich über die gesamte vertikale Höhe des Bodenkammerbereiches 5, wobei die Welle 7 mit einem Läufer 8 des Elektromotors 4 drehfest bzw. fest verbunden ist.
Der Elektromotor 4 ist als ein Innenläufer ausgebildet, bei dem ein Ständer 13 sich über einen Luftspalt in radialer Richtung nach außen zu dem Läufer 8 anschließt.
Zur Lagerung des Läufers 8 und des Ständers 13 bzw. des Elektromotors 4 ist eine Lagereinheit 14 vorgesehen, die als Lagermittel ein den Ständer 13 umgebendes Trägergehäuse 15 umfasst. An dem Trägergehäuse 15 ist der Ständer 13 starr befestigt. Die Welle 7 bzw. der Läufer 8 ist über ein dem Rotationskörper 3 zugewandtes erstes Lager 16 (Lagermittel) und einem axial versetzten auf einer gegenüberliegenden, dem Rotationskörper 3 abgewandten Seite der Welle angeordneten zweiten Lager 17 (Lagermittel) drehbar zu dem Trägergehäuse 15 gelagert.
In radialer Richtung nach außen hin versetzt und außerhalb des Trägergehäuses 15 angeordnet ist eine Stabilisierungseinrichtung 18 positioniert, die eine zu den Wicklungssträngen des Ständers 13 unabhängige Anzahl von Magnetstellgliedern 19 (Stabilisierungsmittel) aufweist. Die Magnetstellglieder 19 sind als Strom durchflossene Wicklungen ausgebildet, die in Abhängigkeit von einem durch eine nicht dargestellte Regel-/Steuereinheit erzeugten Steuersignal eine radiale Ausgleichskraft erzeugen und so zur Kompensation von infolge einer Unwucht auftretenden Störkraft auf den Elektromotor 4, insbesondere auf den Ständer 13 dienen. Der Elektromotor 4 kann als dreiphasiger Motor ausgebildet sein. Die Stabilisierungseinrichtung 18 kann beispielsweise drei in einem Winkel von 120° versetzt in Umfangsrichtung zu dem Ständer 13 angeordnete Magnetstellglieder 19 oder vier um 90° in Umfangsrichtung versetzt um den Ständer 13 angeordnete Magnetstellglieder aufweisen.
Zwischen den jeweiligen Magnetstellgliedern 19 und dem Ständer 13 sind radiale Dämpfungsmittel 20 und vorzugsweise permanentmagnetische Vorspannmittel 21 und vorzugsweise eine Sensorik mit Positionssensoren 22 angeordnet. Das radiale Dämpfungsmittel 20 kann an dem radial beweglichen Ständer 13 oder dem radial beweglichen Trägergehäuse 15 einerseits und/oder an dem ortsfest angeordneten Gehäuse 2, der Stabilisierungseinrichtung 18 (Magnetstellglieder 19) oder der Trennwand 6 befestigt sein. Das radiale Dämpfungsmittel 20 füllt im Wesentlichen den Luftspalt zwischen den Magnetstellgliedern 19 und dem Ständer 13 aus.
Das radiale Dämpfungsmittel 20 kann beispielsweise als Elastomer ausgebildet sein und fest mit dem Magnetstellglied 19 verbunden sein. Das Vorspannmittel 21 bzw. der Positionssensor 22 kann fest mit dem Ständer 13 verbunden sein. Es ergibt sich somit in der Regel ein kleiner Luftspalt zwischen den um die radialen Dämpfungsmittel 20 verbreiterten Magnetstellglieder 19 und dem Ständer 13. Alternativ kann der Positionssensor 22 auch an dem Gehäuse 2, an den Magnetstellgliedern 19 oder an der Trennwand 6 fixiert sein und die Auslenkung des Ständers 13 bzw. des Trägergehäuses 15 messen. Gegebenenfalls können auch mehrere Positionssensoren verteilt angeordnet sein.
Vorteilhaft ermöglichen die Vorspannmittel 21, dass das Streufeld als Messgröße für die Position (beispielsweise über ein Hall-Element) dienen kann, wodurch sich eine einfache Positionsmessung realisieren lässt. Alternativ können auch Vorspannungselemente 21 ohne permanenten Magneten eingesetzt werden. Vorzugsweise werden Positionssensoren 22 eingesetzt, welche die radiale Position des aus der Welle 7, dem Läufer 8 und dem Ständer 13 gebildeten beweglichen Systems in Amplitude und Phasenlage (Polarkoordinaten) detektiert. Die Positionssensoren 22 können berührungslos oder auch kontaktbehaftet ausgebildet sein. Mehrere axial versetzte Sensorebenen sind möglich. Alternativ kann der Positionssensor 22 auch zentral angeordnet sein.
Zur in radialer Richtung bewegbaren Lagerung des Ständers 13 weist die Lagereinheit 14 einen nachgiebigen Standfuß (Stützmittel 23) als Dämpfungsmittel auf, über den das Trägergehäuse 15 an der Bodenwand 10 des Gehäuses 2 befestigt ist. Die Stabilisierungseinrichtung 18 bzw. das Magnetstellglied 19 ist über Befestigungsmittel (Verschraubung) starr mit der Seitenwand 9 (Längsseite des Gehäuses 2) verbunden. Neben dem rotierenden Teilsystem bestehend aus der Welle 7 und dem Läufer 8 ergibt sich unter Einbeziehung des Ständers 13, des Trägergehäuses 15, des ersten Lagers 16 und des zweiten Lagers 17 ein bewegliches System, das über das dämpfende Stützmittel 23 in radialer Richtung elastisch gelagert ist.
Durch die elastische Lagerung des Elektromotors bzw. des Ständers 13 dem Gehäuse 2 bzw. der Bodenwand 10 wird eine relativ große äußere Dämpfung herbeigeführt. Sind das erste Lager 16 und das zweite Lager 17 beispielsweise als Schrumpfsitzlager ausgebildet, kann eine relativ kleine innere Dämpfung herbeigeführt werden. Da hierdurch der Quotient aus äußerer Dämpfung und innerer Dämpfung relativ groß wird, lässt sich die Grenzdrehzahl für den stabilen Lauf des Rotationskörpers 3 erhöhen.
Zur Positionsbestimmung kann statt des als Hallsensor ausgebildeten Positionssensors 22, auch ein zusätzlicher Positionssensor 24 vorgesehen sein, der axial versetzt zu dem Ständer 13 an einer Längswand 25 des Trägergehäuses 15 anliegt.
Der Elektromotor 4 kann beispielsweise als Asynchronmotor, Synchronmotor, Reluktanzmotor ausgebildet sein.
Das Verfahren zum Begrenzen der Unwucht der Zentrifuge läuft wie folgt ab: Mittels der Sensoren 22 bzw. 24 wird die aktuelle radiale Lage des Ständers 13 ermittelt. Weicht die radiale Lage des Ständers 13 insbesondere aufgrund von Unwuchtkräften bzw. Unwuchtdrehmomenten von ihrer Solllage ab, wird mittels der Regel-/Steuereinheit ein entsprechendes Ansteuersignal generiert, mit dem die Magnetstellglieder 19 so beaufschlagt werden, dass eine radiale Ausgleichskraft erzeugt wird, mittels derer die Unwuchtkräfte kompensiert bzw. gedämpft werden.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß 2 ist das Magnetstellglied 19 nicht starr mit dem Gehäuse 2 – wie Ausführungsform gemäß 1 –, sondern starr mit einem vorzugsweise topfförmigen Adaptergehäuse 26 verbunden. Das Adaptergehäuse 26 umschließt die Magnetstellglieder 19 einerseits und den Elektromotor 4 andererseits und bildet eine gesonderte Baueinheit, die zu Nachrüstzwecken nachträglich in die Bodenkammer 5 der Zentrifuge 1 vorzugsweise durch verschraubende Befestigungsmittel 27 montierbar ist.
Gleiche Bauteile bzw. Bauteilfunktionen der Ausführungsbeispiele sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Die nachgiebigen Stützmittel 23 sind zwischen dem Trägergehäuse 15 und dem Adaptergehäuse 26 angeordnet.
Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform weist die zweite Ausführungsform eine Anzahl von axial versetzt zueinander angeordneten Magnetstellglieder 19, 19' auf, wobei das weitere Magnetstellglied 19' über entsprechende radiale Dämpfungsmittel 20 in Bereich des ersten Lagers 16 angeordnet ist. Durch die axial versetzte Anordnung der Magnetstellglieder 19, 19' lässt sich eine verbesserte Schwingungsreduktion erzielen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine aktive Veränderung der Steifigkeit und Dämpfung des beweglichen Systems in Abhängigkeit von dem Auftreten aktueller Störkräfte bzw. Unwuchtkräfte.
Vorzugsweise wird die Läuferwinkelposition zur Ansteuerung des Elektromotors 4 bzw. für die Steuer-/Regeleinheit ermittelt.
Die Erfindung ist nicht auf den beschriebenen Innenläufermotor beschränkt. Alternativ kann der Elektromotor auch als ein Außenläufer oder als ein Scheibenläufer ausgebildet sein. Bei dem Außenläufer würde die Stabilisierungseinrichtung in radialer Richtung innerhalb von dem Ständer angeordnet sein.
Das aus der Welle 7, dem Läufer 8 und dem Ständer 13 gebildete bewegliche System ist vorzugsweise nicht nur radial beweglich angeordnet, sondern kann auch Kippbewegungen durchführen, da die radialen Dämpfungsmittel 20 als Elastomere ausgebildet und/oder auf unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind.

Claims

Vorrichtung für den dynamischen Ausgleich eines Rotationskörpers, insbesondere zum Begrenzen der Unwucht in einer Zentrifuge, mit einem Elektromotor zum Antreiben des in einem Gehäuse gelagerten Rotationskörpers um eine Drehachse, wobei ein Läufer des Elektromotors in dem Rotationskörper drehfest verbunden ist, mit einer Lagereinheit zur Lagerung des Läufers und eines Ständers, mit einer Stabilisierungseinrichtung, die in Abhängigkeit von einer auf den Rotationskörper wirkenden Störkraft eine dieselbe auskompensierende Ausgleichskraft erzeugt, dass die Lagereinheit Lagermittel aufweist, so dass der Ständer radial beweglich angeordnet ist, und dass die Stabilisierungseinrichtung in radialer Richtung außerhalb von dem Ständer und von Lagermitteln der Lagereinheit angeordnet ist mit Stabilisierungsmitteln, so dass eine in Summe radiale Ausgleichskraft erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagereinheit (14) als Lagermittel ein Trägergehäuse (15) umfasst, an dem der Ständer (13) starr befestigt ist, und dass die Stabilisierungseinrichtung (18) in radialer Richtung nach außen versetzt zu dem Ständer (13) und außerhalb des Trägergehäuses (15) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagermittel der Lagereinheit (14) Dämpfungsmittel (Stützmittel 23) aufweisen, derart, dass der Ständer in radialer Richtung nachgiebig zu der Stabilisierungseinheit und/oder zu dem Gehäuse (2) gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lager (16) und/oder das zweite Lager (17) jeweils als ein Schrumpfsitzlager ausgebildet ist, über das der Läufer (8) an der drehfest mit dem Rotationskörper (3) verbundenen Welle (7) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Magnetstellglied (19) der Stabilisierungseinrichtung (18) und dem Ständer (13) ein radiales Dämpfungsmittel (20) und/oder ein permanentmagnetisches Vorspannmittel (21) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergehäuse (15) über das als ein nachgiebiges Stützmittel (23) ausgebildete Dämpfungsmittel an einer Bodenwand des Gehäuses (2) befestigt ist und dass die Stabilisierungseinrichtung (18) starr an einer inneren Längsseite des Gehäuses (2) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergehäuse (15) über das als nachgiebiges Stützmittel ausgebildete Dämpfungsmittel an einer Bodenwand eines Adaptergehäuses (26) befestigt ist, an dem die Stabilisierungseinrichtung (18) starr befestigt ist, und dass das Adaptergehäuse (26) über Befestigungsmittel an dem Gehäuse (2) befestigbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung der Stabilisierungseinrichtung (18) eine Regel-/Steuerungseinheit vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorik vorgesehen ist, mittels derer die radiale Position des aus der Welle (7), des Läufers (8), des Ständers (13) und des nachgiebigen Stützmittels (23) gebildeten beweglichen Systems in Amplitude und Phasenlage detektierbar ist, und dass die Sensorik berührungslos und/oder kontaktbehaftet ausgebildet ist und/oder zentral und/oder auf mehrere axial versetzt zueinander angeordneten Sensorebenen verteilt angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Sensorik positionsabhängige Änderungen eines Magnetfeldes einer durch das permanentmagnetische Vorspannmittel (21) bewirkten permanentmagnetischen Vorspannung der Stabilisierungseinrichtung (18) zur Positionsmessung ermittelbar sind.