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WO2022218779A1 - Generator zur anordnung in einer in rotation versetzbaren hohlwelle - Google Patents

Generator zur anordnung in einer in rotation versetzbaren hohlwelle Download PDF

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Publication number
WO2022218779A1
WO2022218779A1 PCT/EP2022/059146 EP2022059146W WO2022218779A1 WO 2022218779 A1 WO2022218779 A1 WO 2022218779A1 EP 2022059146 W EP2022059146 W EP 2022059146W WO 2022218779 A1 WO2022218779 A1 WO 2022218779A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
weight
shaft
weight element
generator
hollow shaft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2022/059146
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin KRECH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Core Sensing GmbH
Original Assignee
Core Sensing GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Core Sensing GmbH filed Critical Core Sensing GmbH
Publication of WO2022218779A1 publication Critical patent/WO2022218779A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/02—Additional mass for increasing inertia, e.g. flywheels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/09—Machines characterised by the presence of elements which are subject to variation, e.g. adjustable bearings, reconfigurable windings, variable pitch ventilators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the invention relates to a generator for arrangement in a hollow shaft that can be set in rotation, the generator having a rotor connected to the hollow shaft and a stator, and a shaft connected to the stator being arranged on the stator, with a shaft rigidly attached to the weight element is arranged fixed to the shaft, with a center of gravity of the weight element not lying on an axis of rotation of the shaft, with a torque acting on the weight element when the hollow shaft rotates with the rotor, with a deflection of the weight element caused by the torque caused by the eccentric center of gravity of the Weight element acts on the deflected weight element restoring and counteracting the torque gravitational torque in the earth's gravitational field, so that in normal operation of the generator depending on the rotation of the hollow shaft, the weight element in an equilibrium range of a weight element rest position is deflected into a weight element working position.
  • the measuring devices can be arranged to protect against external influences such as temperature and pressure, but also vibrations in an interior of an element to be measured. In some cases it may be necessary to arrange the measuring devices in a location that is as precise and permanent as possible in or on a partial element of the element to be measured.
  • a sensor device arranged in an interior is disclosed, which is arranged in the interior of a hollow shaft to protect against external influences.
  • the sensor device arranged in the interior is protected in the interior from mechanical damage as well as damage caused from the outside.
  • the measuring device is suitable for detecting vibrations and structure-borne noise of the rotating hollow shaft, evaluating them and, if necessary, forwarding them to a further processing device which is arranged in the hollow shaft or is connected to it in a signal-transmitting manner. Since no deformation of the hollow shaft itself is to be measured in this application, a precisely fitting arrangement in the interior of the hollow shaft is not necessary.
  • the position of the sensor device In order to detect radial or axial changes in the hollow shaft, however, the position of the sensor device must be determined in such a way that a displacement of the measuring device when the hollow shaft rotates can be ruled out. A precise adjustment of the measuring device in the interior can be done with adhesive or force-fitting.
  • a Measuring device which is arranged in a hollow shaft, is disclosed, which is suitable for detecting shear strains or axial strains such as compressive or tensile forces and torques exerted on the hollow shaft.
  • Such sensor devices require an energy supply to function and to forward the recorded measurement data.
  • electrical generators can be used, which are able to convert mechanical movement into electrical current.
  • the measuring device which is arranged in the hollow shaft, is supplied with electricity via a generator, which is also arranged in the hollow shaft.
  • the generator has, for example, an immovable stator which is arranged in the hollow shaft and which can be implemented as a current-carrying conductor.
  • This stator is arranged in a resultant magnetic field of a rotor rotating around the stator.
  • the rotor is fixed to the hollow shaft so that the rotor moves in the direction of rotation of the rotating hollow shaft.
  • a shaft can be fixed to the stator, the shaft being rotatably mounted on the hollow shaft via at least one shaft bearing.
  • an eccentrically mounted weight element is preferably arranged on the shaft.
  • a torque acts on the stator or on the shaft.
  • This torque which is mainly a magnetic torque, also influences the weight element rigidly arranged on the shaft and deflects it at a deflection angle. The strength of the magnetic torque depends on the
  • the weight element is deflected together with the shaft in the direction of rotation of the hollow shaft from a weight element rest position to a weight element working position. Due to the deflection of the weight element, the weight element experiences a restoring force in the earth's gravitational field that counteracts the magnetic torque, the gravitational torque. In an equilibrium range of the deflection of the weight element, the weight element, which was mainly deflected from its weight element rest position by the magnetic torque, remains in its weight element working position. At a constant speed of the hollow shaft, the deflection angle of the weight element is also constant.
  • the gravitational torque acting against the magnetic moment on the weight element is a product of the mass, gravity, the distance of the mass from the axis of rotation of the shaft and a function of the deflection angle of the weight element.
  • the most current can be generated at a deflection angle of the weight element of 90° from the rest position. If the deflection angle exceeds 90° and thus a greater magnetic torque than that
  • a deflection of the weight element on the shaft can be monitored and, if necessary, unwanted overshooting of the weight element can be prevented by reducing or switching off the generator operation, which in practice can also be referred to as "maximum power point tracking".
  • maximum power point tracking which in practice can also be referred to as "maximum power point tracking”.
  • the monitoring described the deflection of the weight element and the regulation of the generator to protect against unintentional overshooting take place purely electronically such as bearing damage to the shaft, the weight element can still overshoot. It is therefore considered the object of the present invention to provide a generator arranged in a hollow shaft with a measuring device, with the vibrations caused when the weight element overshoots being prevented or reduced.
  • At least one compensating element which is pivotably mounted in the circumferential direction, is arranged on the shaft or coaxially with the shaft, with the weight element swinging over into an imbalance area when the weight element is deflected and being connected to the at least one compensating element to form a composite element, so that an imbalance caused by the rotating compound member is less than the imbalance caused by the rotating weight member.
  • the weight element can overshoots in the unusual operating state, vibrations can occur due to the eccentric bearing, which can damage or destroy the shaft itself or other elements arranged inside the hollow shaft.
  • An overshooting of the weight element can be triggered by an increase in the magnetic torque, as is the case, for example, by increasing the rotational speed of the hollow shaft. In this case, the shaft would begin to rotate together with the weight element until the shaft has the same rotational speed as the hollow shaft.
  • the weight element can be positively connected to at least one compensation element if it overshoots.
  • At least one The compensating element is designed in such a way that when it is in engagement with the weight element and forms a composite element, the imbalance caused thereby is less than the imbalance caused by the rotating weight element. This can be achieved in that the imbalance due to the shifting of the center of gravity of the composite element closer to the axis of rotation of the shaft is reduced more than the imbalance increases due to the increase in weight of the composite element. In this way, vibrations that occur when the weight element overshoots can be prevented or reduced to such an extent that other elements arranged in the hollow shaft are not damaged.
  • the at least one balancing weight can be arranged on the shaft at a distance from the weight element in the radial direction, so that pivoting in the circumferential direction of the shaft is made possible.
  • the at least one compensating element can be mounted on the shaft in such a way that the at least one compensating element is not affected by the magnetic torque of the hollow shaft or by a torque of the shaft itself as long as the weight element is in the equilibrium range and does not overshoot.
  • the at least one balancing weight can be connected to the shaft via a balancing element bearing.
  • the compensating element bearing is preferably designed as a low-maintenance and low-wear ceramic bearing.
  • compensating elements each spaced apart from one another and fixed on the shaft in the radial direction, to be pivotably fixed on the shaft.
  • compensating elements these can be designed in such a way that they are mounted eccentrically on the shaft, with the center of gravity of the composite element formed by the weight element and the at least one compensating element preferably coinciding with the axis of rotation of the shaft, so that when the weight element overshoots and the formation of the Composite element can rotate with little or no vibration.
  • the at least one compensating element is preferably arranged on the same shaft as the weight element.
  • An embodiment variant is also conceivable in which the at least one balancing weight is arranged on a further shaft segment which is not connected in a rotationally fixed manner to the shaft of the weight element.
  • the axis of rotation of the shaft corresponds to an axis of rotation of the shaft segment, so that the shaft segment is arranged coaxially to the shaft and is rotatably mounted.
  • the compensating element and the at least one compensating weight are arranged relative to one another in such a way that if the weight element overshoots, both elements are connected to form the composite element. If several compensating elements are used, each compensating element can be arranged on a separate shaft segment assigned to the relevant compensating element.
  • the individual shaft segments can also be mounted via a shaft bearing, with different embodiments of the individual shaft segments and the shaft being possible.
  • the weight element itself can be realized, for example, as a semicircular disk, with other shapes, in particular shapes with Undercuts and recesses of the weight element are possible, the focus of which does not coincide with the axis of rotation of the shaft in the arrangement on the shaft.
  • the at least one compensating element can have a shape similar to that of the weight element in the form of a semicircular disc, with other shapes, in particular angled arrangements, also being possible here.
  • the elements can also each have a different shape and a different center of gravity, as long as the center of gravity of the composite element is closer to the axis of rotation of the shaft than the center of gravity of the weight element alone.
  • the weight element can be realized as a semicircular disc and the at least one compensating element can be realized as two quadrant discs.
  • the two quarter-circle disks can be connected to form a full-circle disk.
  • the at least one counterweight is arranged axially offset to the weight element and coaxially to the shaft, with the at least one counterweight being in a counterweight rest position as long as a deflection of the weight element does not exceed the equilibrium range.
  • the at least one balancing weight can be arranged on the shaft in such a way that it is not affected by the magnetic torque acting on the weight element as well as possible transmission of torque from the hollow shaft to the shaft via a damaged bearing.
  • the at least one compensating element can be arranged on the shaft via a compensating element bearing, as a result of which torque transmission can be prevented or at least reduced.
  • the eccentrically mounted at least one counterweight is arranged in such a way that the center of gravity of the at least one counterweight is arranged following the earth's gravitational field.
  • the mounting of the at least one compensating element is preferably designed such that the at least one compensating element is in the compensating weight rest position as long as the weight element does not exceed the balance range and is positively connected to the weight element only when the weight element overshoots.
  • a mechanical engagement device is arranged on the weight element and on the at least one compensation element in the axial direction.
  • the mechanical engagement of a mechanical engagement device can reduce or prevent a resulting imbalance when the weight element overshoots in the direction of rotation of the hollow shaft by mechanically connecting at least one compensating element arranged on the shaft to the weight element via the mechanical engagement device.
  • the mechanical The engagement device is designed in such a way that if the weight element overshoots, a positive mechanical connection of the weight element to the at least one compensation element arranged adjacent to it is made possible. Due to the form-fitting connection, the weight element can take the at least one compensating element with it in the direction of rotation.
  • the engagement device is preferably designed such that the first compensating element, which is carried along by the overswinging weight element, can be positively connected to a second compensating element.
  • the mechanical engagement alignment can be designed such that when the rotation ends, which can be caused, for example, by an end to the rotation of the hollow shaft, the connection of the weight element and the at least one compensating element is separated, so that both elements return to their starting or rest position.
  • the generator can again move into the through the deflection of the weight element
  • Weight element work position produce electricity.
  • the at least one compensating element is then again in the rest position, so that if the weight moment overshoots again, the resulting vibrations can again be prevented by the formation of the composite element.
  • the mechanical Engaging device has a driver element and a stop element, wherein the driver element engages in the stop element when the weight element rotates out of the balance area and entrains the compensating element in the direction of rotation of the weight element through the form-fitting engagement.
  • the entrainment element can be designed as an extension with a round, oval or polygonal cross-section protruding in the axial direction. Projections or hooks can be attached to the extension, which allow a form-fitting engagement in the stop element.
  • the stop element is adapted to the shape of the driver element, so that they can engage in one another in a form-fitting manner.
  • the stop element can be designed as a semicircular shell, which is arranged in the axial direction on the stop element.
  • the two elements can be arranged, for example, on two mutually facing side surfaces of the weight element and the adjacent at least one compensating element.
  • driver and stop elements can be arranged on a side surface, in which case several driver elements, for example a weight element, can engage in several stop elements in order to be able to distribute the forces acting on the elements more evenly.
  • a driver element can mechanically engage in the stop element of the compensating element and pull it along in the direction of rotation of the weight element.
  • the balancing weight that is pulled along can in turn be connected to a driver element arranged on its surface engage in a further stop element of one or more further compensating elements and also pull this along.
  • the resulting composite element causes a reduction in the imbalance and thus the vibrations acting on the device. Due to the releasable engagement and pulling of the two elements into one another, the connection can be released when the rotation is terminated and the composite element formed can thus be divided again into the weight element and the at least one compensating element.
  • a form-fitting connection of the compensating element and the weight element can be realized via latching hooks, latching tongues or other extensions, which can detachably engage in recesses adapted to the respective elements and when the weight element rotates in the direction of rotation can be taken away.
  • the weight element can be connected to the at least one compensating element via a magnetic connection, which can be released again via a suitable mechanism.
  • the weight element can be connected to the at least one compensating element via a non-detachable connection.
  • a round spring can be arranged with one end on the compensating element and with a second end opposite the first end, on the weight element. The spring is designed so that when the weight element is deflected from the
  • the balancing element assigned to the weight element does not is deflected. Only when the weight element is deflected from the equilibrium area into the imbalance area is the associated compensating element entrained in the direction of rotation of the weight element.
  • the mechanical engagement device is designed in such a way that the weight element and the at least one compensating element rotate in both directions of rotation of the
  • Weight element are connected to each other to form the composite element.
  • the weight element and the at least one compensating element can have entrainment and stop elements in a radial orientation on both side surfaces facing the respective adjacent elements, which are arranged in such a way that the weight element can mechanically engage in the at least one compensating weight when the balance range is exceeded in the imbalance range, to form the composite element.
  • the driver and stop elements arranged on the side surface are preferably arranged in such a way that the direction of rotation of the weight element is irrelevant for the formation of the composite element.
  • the elements can be designed in such a way that the driver element can engage in the stop element in both directions of rotation, or elements designed for each direction of rotation can be used.
  • the generator can therefore preferably be used in both possible directions of rotation of the hollow shaft to produce electricity and, in the event of an unusual operating condition, by the formation of the Composite element to be protected against damage caused by vibrations.
  • the weight element is preferably made to have an eccentrically arranged additional weight, the additional weight being designed in such a way that it reduces the imbalance produced by the mechanical engagement device.
  • An additional weight may be attached to the weight element or attached during formation of the composite element.
  • This additional weight can be attached to the weight element in the axial direction, for example, so that it faces away from the at least one counterweight.
  • the additional weight can be arranged in such a way that the center of gravity of the weight element itself is not changed or is changed only slightly.
  • the additional weight is preferably designed in such a way that the weight of the stop element and the driver element, which is opposite the weight element on the composite element, is compensated, so that a further reduction in vibrations can be achieved in this way if the weight element overshoots.
  • the task at the outset also relates to a hollow shaft with a measuring device that has a sensor device, a sensor data processing device, a
  • Communication device for data transmission and having a generator, wherein the measuring device is arranged in the hollow shaft
  • the generator (1) is designed according to one of claims 1 to 6.
  • strains of the hollow shaft itself can be measured, processed and forwarded.
  • the arrangement of the measuring device inside the hollow shaft protects the measuring device and its individual components from external influences.
  • the embodiment of the generator according to the invention with protection against vibrations occurring when the weight element overshoots also protects the measuring device from damage.
  • the sensor data processing device can be suitable for recording the measurement signals of the sensor device and storing them in a suitable data structure. Furthermore, the device can have a database with which the recorded sensor data can be compared.
  • the communication device can be used for communication and transmission of the sensor data recorded by the measuring device.
  • a channel can be provided by the communication device, through which the measured variables can be transmitted to a receiver or a receiving device.
  • Communication can take place via broadband, Bluetooth, or via WLAN or WPAN, but also via the mobile network (GSM, UMTS, LTE, 5G).
  • the measuring device has an energy storage device, wherein the energy storage device is suitable and set up to store the electricity generated by the generator in the energy storage device and the To supply measuring device during operation with energy.
  • the measuring device can be connected to the energy storage device via a signal-transmitting connection, such as a cable or a conductor track, as a result of which the sensor device, the sensor data processing device and the communication device can be supplied with energy. Furthermore, the measuring device can be connected to the generator via a direct signal-transmitting connection and can be supplied with power by it.
  • a signal-transmitting connection such as a cable or a conductor track
  • the energy storage device can also be used so that in the overshooting phase of the weight element, in which no electricity can be produced by the generator, the measuring device can continue to record, process and, if necessary, forward measurement data.
  • the energy storage device is thus able to supply all of the measuring instruments arranged in the hollow shaft with electricity, albeit for a limited time, without an external energy supply. In this way, a self-sufficient energy supply can be guaranteed.
  • the energy storage device can be implemented as an accumulator, battery or capacitor in the interior space formed by the hollow shaft.
  • the energy storage device can have an external plug with which the energy storage device can be supplied with electrical energy from an external source.
  • the measuring device it is also possible and optionally provided according to the invention for the measuring device to have energy conditioning electronics has, wherein the energy processing electronics are set up to monitor and/or regulate the amount of energy generated by the generator.
  • Possible problems of the device can be inferred via the energy processing electronics via the expected setpoint quantity of energy obtained relative to the actual quantity.
  • the actual quantity generated when the hollow shaft rotates can deviate from the expected target quantity, for example because the shaft is arranged perpendicular to the earth's gravitational field and therefore does not produce a different rotational movement between the rotor and stator, or because the shaft does not rotate freely in the event of bearing damage the rotor can rotate relative to the stator, or if the composite element can no longer be separated after overshooting when the hollow shaft is restarted.
  • the recorded values can be forwarded in a suitable manner via the communication device.
  • FIG. 1 shows a sectional view through a hollow shaft with a generator arranged in the hollow shaft and a shaft with a weight element and two balancing elements
  • FIG. 2 shows a sectional view through the hollow shaft and the shaft with generator, weight element and compensation elements
  • FIG. 3 shows a view along an axis of rotation of the shaft with the weight element and two balancing elements, the weight element being in the working position.
  • Figure 4 is a view along the axis of rotation of the shaft with the weight member and two
  • Balancing elements the weight element being connected to the first balancing element
  • Figure 5 shows a view along the axis of rotation of the shaft with the weight element and two compensating elements, the elements being connected to form a composite element
  • FIG. 6 shows a view of the composite element consisting of a weight element and two compensating elements
  • FIG. 7 shows a sectional view of the hollow shaft with a measuring device arranged in the hollow shaft.
  • FIG. 1 and FIG. 2 show a generator 1 according to the invention which is arranged in a rotating hollow shaft 2 .
  • the hollow shaft 2 shown has an almost cylindrical shape, with the hollow shaft 2 being composed of two hollow shaft sub-elements 3 that can be connected to one another.
  • FIG. 1 only one hollow shaft partial element 3 of the hollow shaft 2 is shown for a better overview.
  • the hollow shaft sub-elements 3 have recesses on a contact surface via which the sub-elements 3 can be connected to one another, through which connecting elements can be guided, which enable the sub-elements 3 to be connected.
  • a cylindrical shaft 5 designed as a rod is arranged in the interior space 4 formed by the hollow shaft 2 and is rotatably connected to the hollow shaft 2 at two opposite ends of the shaft via a shaft bearing 6 in each case.
  • the shaft bearings 6 are in this case designed as ceramic roller bearings in order to achieve the lowest possible friction and to suppress a transmission of torque from the hollow shaft 2 to the shaft 5 .
  • the axis of rotation 7 of the hollow shaft 2 and the axis of rotation 8 of the shaft 5 are here arranged centrally to one another, so that the two axes of rotation 7.8 coincide or are arranged coaxially.
  • a generator 1 is arranged at one end of the shaft, with the generator 1 being able to generate electricity when the hollow shaft 2 rotates.
  • the generator 1 has a rotor 9 and a stator 10 arranged in the rotor 9.
  • the stator 10 is fixed to the shaft 5 and has the same axis of rotation 8 as the shaft 5 and the hollow shaft 2.
  • the stator 10, designed as a pin, is surrounded in the radial direction by the magnetic rotor 9, which has a plurality of permanent magnets radially surrounding the stator 10 .
  • the rotor 9 is arranged on an inner side of the hollow shaft 2 or on an inner side of a hollow shaft partial element 3 such that the rotor 9 rotates in the direction of rotation of the hollow shaft 2 when the hollow shaft 2 rotates, so that the rotation of the stator 10 in the magnetic field magnetic torque on the stator 10 and thus on the shaft 5 connected to the stator 10 is effected.
  • an eccentrically arranged weight element 11 is fixed to the shaft 5 between the two shaft bearings 6 of the shaft 5.
  • the weight element 11 designed as a semicircular disk is fixed rigidly to the shaft 5 .
  • the weight element 11 When the weight element 11 is in a rest position, it is arranged with its center of gravity along the earth's gravitational field, with the center of gravity not lying on the axis of rotation 8 of the shaft 5 .
  • the generator 1 i.e. when the hollow shaft 2 rotates, the magnetic torque generated by the rotation of the hollow shaft 2 acts on the eccentrically mounted weight element 11.
  • the weight element 11 is hereby driven by the magnetic and slightly by a shaft bearing 6 of the shaft 5 transmitted torque deflected at a constant rotation of the hollow shaft 2 from its weight element rest position in a weight element working position.
  • the weight element 11 In the weight element working position, the weight element 11 is in an equilibrium range. In the equilibrium range, which is ⁇ 90°, the generator 1 is able to produce electricity.
  • the current yield depends, among other things, on the mass and the deflection angle of the weight element 11 and on the internal resistance of the electronic circuit.
  • a restoring force in the form of a gravitational torque acting in opposition to the magnetic torque acts on the weight element 11 deflected from its weight element rest position.
  • the weight element 11 In the equilibrium range, the weight element 11 is in the working position at a fixed deflection angle, which is preferably slightly less than 90°, with at At a deflection angle of 90°, the magnetic torque and the gravitational torque are equal.
  • the shaft 5 reaches a rotational speed which corresponds to the rotational speed of the hollow shaft 2 .
  • the static imbalance of the weight element 11 mounted eccentrically on the shaft 5 causes vibrations which can damage or even destroy measuring devices arranged in the hollow shaft 2 or other components susceptible to vibration, such as the shaft bearing 6 or the shaft 5 itself.
  • two eccentrically mounted compensating elements 12, 13, which are identical in this exemplary embodiment, are arranged on the side of the weight element 11 facing away from the generator 1 on the shaft 5.
  • the compensating elements 12, 13 are spaced from each other in the radial direction and arranged at a distance from the weight element 11 between the two shaft bearings 6 of the shaft 5 .
  • the compensating elements 12, 13 are each designed as quarter-circle disks and are arranged on the shaft 5 via a compensating element bearing 14 in such a way that a radial movement is made possible.
  • the weight element 11 can be connected to the two compensating elements 14 to form a composite element 15 .
  • the composite member 15 is configured such that an unbalance caused by the rotating composite member 15 is smaller than the unbalance caused by the rotating weight member 11, thereby reducing vibration generated.
  • the two compensating elements 12 , 13 can be fixed mechanically to one another and to the weight element 11 via an engagement device 16 .
  • the engagement device 16 has a driver element 17 and a stop element 18 .
  • the weight element 11 on a side surface facing the adjacent compensating element 12 , two are arranged spaced apart from one another and are radial at an angle protruding driver elements 17 arranged in the form of a cylinder with a circular base.
  • the compensating element 12 adjacent to the weight element 11 has two stop elements 18 on the side facing the weight element 11 .
  • the stop elements 18 are designed in the form of half-shells protruding at an angle to the side surface.
  • the half-shells are arranged in such a way that in the rest position of the compensating elements 12 they face the earth's gravitational field with the open shell.
  • the shape of the stop elements 18 is adapted to the driver elements 17 .
  • FIG. 3 shows a perspective view of the composite element 15 formed, which consists of a semicircular weight element 11 and two counterweight elements 12, 13, each of which is designed as a quadrant-shaped counterweight element.
  • the two compensating elements 12, 13 and the weight element 11 result in a circular disc which is constructed from the three elements which are offset relative to one another in the axial direction of the shaft 5.
  • FIGS. 4 to 6 show the engagement of the overswinging weight element 11 in the first 12 balancing weight and the engagement of the first balancing element entrained by the weight element in the second 12 balancing element to form the composite element 15 from FIG.
  • FIG. 4 shows the weight element 11 and the two balancing weights 12, 13 along the axis of rotation 8 of the shaft 5.
  • the weight element 11 is in this case deflected in its working position in the equilibrium range, the center of gravity of the weight element being at a deflection angle of 90°.
  • the first 12 and the second 12 compensating element are in the compensating element rest position.
  • the weight member 11 overshoots and is shifted from the equilibrium range to the imbalance range.
  • the weight element 11 When the weight element 11 is deflected with a counterclockwise direction of rotation, it engages closer to the axis of rotation 8 of the shaft 5 in the radial direction arranged driver element 17 in the stop element 18 of the first compensating element 12 and pulls this with it.
  • FIG. 1 A sectional view of the hollow shaft 2 is shown in FIG.
  • a measuring device 19 shown schematically is shown in the hollow shaft 2 .
  • the measuring device 19 has a sensor device 20 for detecting forces acting on the hollow shaft 2, a
  • Sensor data processing device 21 for processing and forwarding the data recorded via the sensor device 20, a communication device 22 for forwarding the sensor data to an external device, and an energy storage device 23.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
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  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Generator (1) zur Anordnung in einer in Rotation versetzbaren Hohlwelle (2). Der Generator (1) weist einen mit der Hohlwelle (2) verbundenen Rotor (9) und einen Stator (10) auf, an dem eine mit dem Stator (10) verbundene Welle (5) angeordnet ist. An der Welle (5) ist ein starr an der Welle (5) festgelegtes Gewichtselement (11) angeordnet, wobei ein Schwerpunkt des Gewichtselements (11) nicht auf einer Rotationsachse (8) der Welle (5) liegt. Bei einer Rotation der Hohlwelle (2) mit dem Rotor (9) wirkt ein Generatordrehmoment auf das Gewichtselement (11). An der Welle (5) ist mindestens ein an der Welle (5) in Umfangsrichtung schwenkbar gelagertes Ausgleichselement (12, 13) angeordnet. Das Gewichtselement (11) schwingt bei einer Auslenkung des Gewichtselements (11) in einen Ungleichgewichtsbereich über und wird mit dem mindestens einen Ausgleichselement (12) zu einem Verbundelement (15) verbunden, sodass eine durch das rotierende Verbundelement (15) bewirkte Unwucht geringer als die durch das rotierende Gewichtselement (11) bewirkte Unwucht ist.

Description

Generator zur Anordnung in einer in Rotation versetzbaren Hohlwelle
Die Erfindung betrifft einen Generator zur Anordnung in einer in Rotation versetzbaren Hohlwelle, wobei der Generator einen mit der Hohlwelle verbundenen Rotor und einen Stator aufweist, und wobei an dem Stator eine mit dem Stator verbundene Welle angeordnet ist, wobei an der Welle ein starr an der Welle festgelegtes Gewichtselement angeordnet ist, wobei ein Schwerpunkt des Gewichtselements nicht auf einer Rotationsachse der Welle liegt, wobei bei einer Rotation der Hohlwelle mit dem Rotor ein Drehmoment auf das Gewichtselement wirkt, wobei bei einer durch das Drehmoment bewirkten Auslenkung des Gewichtselements durch den exzentrischen Schwerpunkt des Gewichtselements eine auf das ausgelenkte Gewichtselement rückstellende und dem Drehmoment entgegenwirkendes Gravitationsdrehmoment im Erdschwerefeld wirkt, sodass bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Generators abhängig von der Rotation der Hohlwelle das Gewichtselement in einem Gleichgewichtsbereich von einer Gewichtselementruhelage in eine Gewichtselementarbeitslage ausgelenkt wird.
Um eine zuverlässige und präzise Erfassung von verschiedenen auf ein Element einwirkenden Messparametern zu ermöglichen, wird eine Vielzahl von verschiedenen auf die jeweilige Situation angepasste Messeinrichtungen mit einer Sensoreinrichtung verwendet. Um reproduzierbare Messung sowie eine im Anschluss stattfindende Auswertung der Messungen zu ermöglichen, können die Messeinrichtungen zum Schutz vor äußeren Einflüssen wie beispielsweise Temperatur und Druck, aber auch Vibrationen in einem Innenraum eines zu vermessenden Elements angeordnet werden. In einigen Fällen kann es dabei von Nöten sein, die Messeinrichtungen in einer möglichst präzisen und dauerhaften Festlegung in oder an einem Teilelement des zu vermessenden Elements anzuordnen.
Beispielsweise ist in der europäischen Druckschrift EP 1597 128 Bl eine in einem Innenraum angeordnete Sensoreinrichtung offenbart, welche zum Schutz vor äußeren Einflüssen in dem Innenraum einer Hohlwelle angeordnet ist. Die in dem Innenraum angeordnete Sensoreinrichtung ist in dem Innenraum vor mechanischen aber auch von außen herbeigeführten Beschädigungen geschützt. Die Messeinrichtung ist dazu geeignet, Schwingungen und Körperschall der sich drehenden Hohlwelle zu erfassen, auszuwerten und gegebenenfalls an eine weitere Verarbeitungseinrichtung, welche in der Hohlwelle angeordnet oder mit dieser signalübertragend verbunden ist, weiterzuleiten. Da in dieser Anwendung keine Verformung der Hohlwelle selbst vermessen werden soll, ist eine passgenaue Anordnung in dem Innenraum der Hohlwelle nicht notwendig.
Zur Erfassung von radialen oder axialen Veränderungen der Hohlwelle jedoch muss die Position der Sensoreinrichtung so festgelegt werden, dass eine Verlagerung der Messeinrichtung bei einer Rotation der Hohlwelle auszuschließen ist. Eine passgenaue Anpassung der Messeinrichtung in den Innenraum kann klebend oder kraftschlüssig eingepresst erfolgen. In der Druckschrift DE 102015 106 933 Al ist eine derartige Messeinrichtung, welche in eine Hohlwelle angeordnet ist, offenbart, welche dafür geeignet ist, Schubdehnungen oder Axialdehnungen wie beispielsweise auf die Hohlwelle ausgeübte Druck- oder Zugkräfte sowie Drehmomente erfassen zu können. Derartige Sensorvorrichtungen benötigen zur Funktion sowie zur Weiterleitung der erfassten Messdaten eine Energieversorgung. Um nicht auf eine externe Energieversorgung angewiesen zu sein, können elektrische Generatoren eingesetzt werden, welche in der Lage sind mechanische Bewegung in elektrischen Strom umzuwandeln. Hierbei wird die Messeinrichtung, welche in der Hohlwelle angeordnet ist über einen ebenfalls in der Hohlwelle angeordneten Generator mit Strom versorgt. Der Generator weist beispielsweise einen in der Hohlwelle angeordneten, unbeweglichen Stator auf, welcher als stromdurchflossener Leiter realisiert werden kann. Dieser Stator ist in einem resultierenden Magnetfeld eines um den Stator rotierenden Rotors angeordnet. Der Rotor ist dabei an der Hohlwelle festgelegt, sodass der Rotor sich in Rotationsrichtung der rotierenden Hohlwelle bewegt. An den Stator kann eine Welle festgelegt sein, wobei die Welle über mindestens ein Wellenlager drehbar an der Hohlwelle gelagert ist. Für eine möglichst einfache Konstruktion kann es von Vorteil sein, die Welle drehbar in der Wohlwelle zu lagern, um auf einen weiteren externen Fixpunkt verzichten zu können an welchem die Welle sonst festgelegt werden müsste.
Bei einer Variante mit einer drehbar gelagerten Welle ist vorzugsweise an der Welle ein exzentrisch gelagertes Gewichtselement angeordnet. Bei der Rotation der Hohlwelle und damit der Rotation des Rotors um den Stator wirkt ein Drehmoment auf den Stator, beziehungsweise auf die Welle. Von diesem Drehmoment, welches hauptsächlich ein magnetisches Drehmoment ist, wird ebenfalls das an der Welle starr angeordnete Gewichtselement beeinflusst und in einem Auslenkungswinkel ausgelenkt. Die Stärke des magnetischen Drehmoments ist hierbei abhängig von der
Rotationsgeschwindigkeit der die Welle umgebenden Hohlwelle sowie von einem Stromfluss in einem elektrischen Kreis. Bei einer konstanten Drehzahl der äußeren Hohlwelle wird das Gewichtselement zusammen mit der Welle in Drehrichtung der Hohlwelle aus einer Gewichtselementruhelage hin zu einer Gewichtselementarbeitslage ausgelenkt. Durch die Auslenkung des Gewichtelements erfährt das Gewichtselement eine dem magnetischen Drehmoment entgegenwirkende Rückstellkraft im Schwerefeld der Erde, das Gravitationsdrehmoment. In einem Gleichgewichtsbereich der Auslenkung des Gewichtselements verharrt das Gewichtselement, welches hauptsächlich durch das magnetische Drehmoment aus seiner Gewichtselementruhelage ausgelenkt wurde in seiner Gewichtselementarbeitslage. Bei einer konstanten Drehzahl der Hohlwelle ist der Auslenkungswinkel des Gewichtselements ebenfalls konstant.
Die auf das Gewichtselement, dem magnetischen Moment entgegenwirkende Gravitationsdrehmoment ist hierbei ein Produkt der Masse, der Erdanziehung, dem Abstand der Masse von der Rotationsachse der Welle sowie eine Funktion des Auslenkungswinkels des Gewichtelements. Bei einem Auslenkungswinkel des Gewichtelements von 90° von der Ruhelage kann der meiste Strom erzeugt werden. Bei einem Überschreiten des Auslenkungswinkels von 90° und damit einem größeren magnetischen Drehmoment als das
Gravitationsdrehmoment kommt es in einem außergewöhnlichen Betriebszustandes zu einer Verlagerung des Gewichtelements in Drehrichtung der Hohlwelle, wobei das Gewichtselement von dem Gleichgewichtsbereich in einen Ungleichgewichtsbereich ausgelenkt wird und überschwingt.
Durch das Überschwingen des Gewichtelements und die dadurch beginnende Rotation des Gewichtselements durch die exzentrische Lagerung an der Welle kommt zu starken Vibrationen auf Grund der Unwucht des exzentrisch gelagerten Gewichtselements. Diese Vibrationen können nicht nur den Generator und die sonstigen in der Hohlwelle angeordneten Sensoreinrichtungen oder Messinstrumente zerstören oder beschädigen, sondern auch zu einer möglichen Beschädigung außerhalb der Hohlwelle aber mit der Hohlwelle verbundenen Instrumenten führen. Um dieser Problematik entgegenzuwirken sind aus dem Stand der Technik elektronische Regelungs- und Abschaltvorrichtungen von Generatoren bekannt. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise in der Druckschrift IT T020121035 Al offenbart. Mit Hilfe der elektronischen Abschaltvorrichtung kann eine Auslenkung des Gewichtselements an der Welle überwacht und gegebenenfalls durch eine Reduzierung oder Abschaltung des Generatorbetriebs ein ungewolltes Überschwingen des Gewichtselements verhindert werden, was in der Praxis auch als „maximum power point tracking" bezeichnet werden kann. Die beschriebene Überwachung der Auslenkung des Gewichtselements und die Regelung des Generators zum Schutz vor einem unbeabsichtigten Überschwingen findet jedoch auf rein elektronischem Wege statt. Kommt es zu einem Fehlverhalten der Elektronik, beispielsweise zu einer Reduzierung des internen Widerstandes, zu eine Erhöhung des Stromflusses oder aber zu einer mechanischen Beeinflussung wie einem Lagerschaden der Welle kann es dennoch zu einem Überschwingen des Gewichtselements kommen. Als Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird es deshalb angesehen, dass ein in einer Hohlwelle angeordneter Generator mit einer Messeinrichtung bereitgestellt wird, wobei die bei einem Überschwingen des Gewichtselements bewirkten Vibrationen verhindert beziehungsweise reduziert werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens ein in Umfangsrichtung schwenkbar gelagertes Ausgleichselement an der Welle oder koaxial zu der Welle angeordnet ist, wobei das Gewichtselement bei einer Auslenkung des Gewichtselements in einen Ungleichgewichtsbereich überschwingt und mit dem mindestens einen Ausgleichselement zu einem Verbundelement verbunden wird, sodass eine durch das rotierende Verbundelement bewirkte Unwucht geringer als die durch das rotierende Gewichtselement bewirkte Unwucht ist.
Im Falle des Überschwingens des Gewichtselements in dem außergewöhnlichen Betriebszustandes können durch die exzentrische Lagerung Vibrationen auftreten, welche die Welle selbst oder andere innerhalb der Hohlwelle angeordnete Elemente beschädigen oder zerstören können. Ein Überschwingen des Gewichtelements kann durch eine Erhöhung des magnetischen Drehmoments, wie es beispielsweise durch Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit der Hohlwelle entsteht, ausgelöst werden. Hierbei würde die Welle zusammen mit dem Gewichtselement zu rotieren beginnen, bis die Welle dieselbe Rotationsgeschwindigkeit wie die Hohlwelle aufweist. Um die durch das exzentrisch gelagerte Gewichtselement bedingte Unwucht auszugleichen, kann das Gewichtselement, sollte es überschwingen, mit mindestens einem Ausgleichselement formschlüssig verbunden werden. Das mindestens eine Ausgleichselement sind dabei so ausgestaltet, dass wenn es in Eingriff mit dem Gewichtselement steht und ein Verbundelement bildet die dadurch bewirkte Unwucht geringer ist als die durch das rotierende Gewichtselement bewirkte Unwucht. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Unwucht durch die Verlagerung des Schwerpunkts des Verbundelements näher an der Rotationsachse der Welle stärker reduziert wird als die Unwucht durch die Gewichtszunahme des Verbundelements zunimmt. Auf diese Weise können bei einem Überschwingen des Gewichtselements auftretende Vibrationen verhindert beziehungsweise so stark reduziert werden, dass andere in der Hohlwelle angeordnete Elemente nicht beschädigt werden.
Das mindestens eine Ausgleichsgewicht kann hierbei beabstandet zu dem Gewichtselement in radialer Richtung an der Welle angeordnet sein, sodass ein Verschwenken in Umfangsrichtung der Welle ermöglicht ist. Das mindestens eine Ausgleichselement kann dabei so an der Welle gelagert sein, dass das mindestens eine Ausgleichselement nicht von dem magnetischen Drehmoment der Hohlwelle oder von einem Drehmoment der Welle selbst erfasst wird, so lange sich das Gewichtselement im Gleichgewichtsbereich befindet und nicht überschwingt. Um dies zu ermöglichen, kann das mindestens eine Ausgleichsgewicht über ein Ausgleichselementlager mit der Welle verbunden sein. Das Ausgleichselementlager ist dabei vorzugsweise als wartungs- und verschleißarmes Keramiklager ausgestaltet.
Es ist darüber hinaus möglich, dass an der Welle mehrere jeweils beabstandet zueinander angeordnete und in radialer Richtung an der Welle festgelegte Ausgleichselemente schwenkbar festgelegt sind. Bei der Verwendung von einem oder mehrerer Ausgleichselemente können diese so ausgestaltet sein, dass sie exzentrisch an der Welle gelagert sind, wobei der Schwerpunkt des durch das Gewichtselement und das mindestens eine Ausgleichelement gebildete Verbundelement vorzugsweise mit der Rotationsachse der Welle zusammenfällt, sodass die Welle bei einem Überschwingen des Gewichtselements und Bildung des Verbundelements vibrationsarm bzw. vibrationsfrei rotieren kann.
Das mindestens eine Ausgleichselement ist hierbei vorzugsweise an derselben Welle angeordnet wie das Gewichtselement. Es ist auch eine Ausführungsvariante denkbar, in welcher das mindestens eine Ausgleichsgewicht an einem weiteren Wellensegment angeordnet ist, welches nicht drehfest mit der Welle des Gewichtselements verbunden ist.
Die Rotationsachse der Welle entspricht dabei einer Rotationsachse des Wellensegments, sodass das Wellensegment koaxial zu der Welle angeordnet und drehbar gelagert ist. Das Ausgleichselement und das mindestens eine Ausgleichgewicht sind dabei so zueinander angeordnet, dass bei einem Überschwingen des Gewichtselements beide Elemente zu dem Verbundelement verbunden werden. Bei der Verwendung von mehreren Ausgleichselementen kann jedes Ausgleichselement auf einem gesonderten und dem betreffenden Ausgleichselement zugeordneten Wellensegment angeordnet sein. Die einzelnen Wellensegmente können weiterhin selbst über ein Wellenlager gelagert sein, wobei auch unterschiedliche Ausführungsformen der einzelnen Wellensegmente und der Welle möglich sind.
Das Gewichtselement selbst kann beispielsweise als Halbkreisschreibe realisiert sein, wobei auch andere Formgebungen, insbesondere Formgebungen mit Hinterschneidungen und Ausnehmungen des Gewichtselements möglich sind, deren Schwerpunkt in der Anordnung an der Welle nicht mit der Rotationsachse der Welle zusammenfallen.
Das mindestens eine Ausgleichselement kann eine ähnliche Formgebung wie das Gewichtselement in Form einer Halbkreisscheibe aufweisen, wobei auch hier andere Formgebungen insbesondere gewinkelte Anordnungen möglich sind. Bei der Verwendung von mehreren Ausgleichselementen können die Elemente darüber hinaus jeweils eine Unterschiedliche Formgebung und einen unterschiedlichen Schwerpunkt aufweisen, solange der Schwerpunkt des Verbundelements näher an der Rotationsachse der Welle liegt als der Schwerpunkt des Gewichtelements allein.
Beispielsweise kann das Gewichtselement als Halbkreisschreibe und das mindestens eine Ausgleichselement als zwei Viertelkreisscheibe realisiert sein. Die beiden Viertelkreisschreiben können bei dem Überschwingen des Gewichtselements mit diesem zu einer Vollkreisscheibe verbunden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindergedankens ist vorgesehen, dass das mindestens eine Ausgleichsgewicht axial versetzt zu dem Gewichtselement und koaxial zu der Welle angeordnet ist, wobei sich das mindestens eine Ausgleichsgewicht in einer Ausgleichsgewichtsruhelage befindet, solange eine Auslenkung des Gewichtselements den Gleichgewichtsbereich nicht überschreitet.
Das mindestens eine Ausgleichsgewicht kann so an der Welle angeordnet sein, dass es nicht von dem auf das Gewichtselement einwirkende magnetische Drehmoment sowie einer möglichen Übertragung eines Drehmoments der Hohlwelle über ein beschädigtes Lager auf die Welle beeinflusst wird. Hierfür kann das mindestens eine Ausgleichselement über ein Ausgleichselementlager an der Welle angeordnet sein, wodurch eine Drehmomentübertragung verhindert oder zumindest reduziert werden kann. In der Ausgleichsgewichtruhelage ist das exzentrisch gelagerte mindestens eine Ausgleichsgewicht so angeordnet, dass der Schwerpunkt des mindestens einen Ausgleichgewichts dem Schwerefeld der Erde folgend angeordnet ist. Die Lagerung des mindestens einen Ausgleichselements ist dabei vorzugsweise so ausgestaltet, dass das mindestens eine Ausgleichselement in der Ausgleichsgewichtsruhelage befindet solange das Gewichtselement den Gleichgewichtsbereich nicht überschreitet und erst bei einem Überschwingen des Gewichtselements mit dem Gewichtselement formschlüssig verbunden wird.
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass an dem Gewichtselement und an dem mindestens einen Ausgleichselement in axialer Richtung eine mechanische Eingriffseinrichtung angeordnet ist, durch welche bei einem Verdrehen des Gewichtselements aus dem Gleichgewichtsbereich heraus ein formschlüssiger Eingriff des Gewichtselements mit dem Ausgleichselement bewirkt wird.
Durch das mechanische Eingreifen einer mechanischen Eingriffseinrichtung kann bei einem Überschwingen des Gewichtselements in Drehrichtung der Hohlwelle eine daraus resultierende Unwucht reduziert oder verhindert werden, indem über die mechanische Eingriffseinrichtung mindestens ein an der Welle angeordnetes Ausgleichselement mechanisch mit dem Gewichtselement verbunden wird. Die mechanische Eingriffseinrichtung ist dabei so ausgestaltet, dass bei einem Überschwingen des Gewichtselements eine formschlüssige mechanische Verbindung des Gewichtselements in das benachbart angeordnete mindestens eine Ausgleichselement ermöglicht wird. Dabei kann durch die formschlüssige Verbindung das Gewichtselement das mindestens eine Ausgleichselement in Rotationsrichtung mitnehmen. Bei der Verwendung von mehreren beispielsweise zwei Ausgleichselementen ist die Eingriffseinrichtung vorzugsweise so ausgestaltet, dass das erste Ausgleichselement welches von dem überschwingenden Gewichtselement mitgenommen wird formschlüssig mit einem zweiten Ausgleichselement verbunden werden kann.
Die mechanische Eingriffsausrichtung kann so ausgestaltet sein, dass bei einer Beendigung der Rotation, welche beispielsweise durch ein Ende der Rotation der Hohlwelle hervorgerufen werden kann, die Verbindung des Gewichtselements und des mindestens einen Ausgleichselements getrennt wird, sodass beide Elemente in Ihre Ausgangs beziehungsweise Ruhelage zurückkehren. Bei der Einwirkung eines erneuten Drehmoments auf das Gewichtselement durch die sich rotierende Hohlwelle kann der Generator erneut durch die Auslenkung des Gewichtselements in die
Gewichtselementarbeitslage Strom produzieren. Das mindestens eine Ausgleichselement befindet sich daraufhin wieder in der Ruhelage, sodass bei einem erneuten Überschwingen des Gewichtmoments die daraus resultierenden Vibrationen erneut durch die Bildung des Verbundelements verhindert werden können.
Einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindergedankens zufolge ist vorgesehen, dass die mechanische Eingriffseinrichtung ein Mitnahmeelement und ein Anschlagselement aufweist, wobei das Mitnahmeelement bei einem Verdrehen des Gewichtelements aus dem Gleichgewichtsbereich heraus in das Anschlagselement eingreift und durch den formschlüssigen Eingriff das Ausgleichselement in Drehrichtung des Gewichtselements mitnimmt .
Das Mitnahmeelement kann als in axialer Richtung hervorstehender Fortsatz mit rundem, ovalem oder polygonalem Querschnitt ausgestaltet sein. An dem Fortsatz können Vorsprüngen oder Haken angebracht sein, welche einen formschlüssigen Eingriff in das Anschlagselement ermöglichen. Das Anschlagselement ist an die Formgebung des Mitnahmeelements angepasst, sodass diese formschlüssig ineinander eingreifen können. Hierbei kann das Anschlagselement als halbkreisförmige Schale ausgebildet sein, welche in axialer Richtung an dem Anschlagselement angeordnet ist. Die beiden Elemente können beispielsweise an zwei einander zugewandten Seitenflächen des Gewichtselements und des benachbarten mindestens einem Ausgleichselement angeordnet sein. Es können auch mehrere Mitnahme- und Anschlagselemente auf einer Seitenfläche angeordnet sein, wobei auch mehrere Mitnahmeelemente beispielsweise eines Gewichtselemente in mehrere Anschlagselemente eingreifen können, um die auf die Elemente einwirkenden Kräfte gleichmäßiger aufteilen zu können. Bei einer Rotation der Welle und damit des Gewichtselements kann ein Mitnahmeelement mechanisch in das Anschlagselement des Ausgleichselements eingreifen und dieses in Drehrichtung des Gewichtselements mitziehen. Das mitgezogene Ausgleichsgewicht kann wiederum mit einer an dessen Oberfläche angeordneten Mitnahmeelements in ein weiteres Anschlagselement eines oder mehrerer weiterer Ausgleichselemente eingreifen und dieses ebenfalls mitziehen. Das daraus resultierende Verbundelement bewirkt eine Verringerung der Unwucht und damit die auf die Vorrichtung wirkenden Vibrationen. Durch das lösbare Eingreifen und Mitziehen der beiden Elemente ineinander kann sich die Verbindung bei Beendigung der Rotation lösen und damit kann das gebildete Verbundelement wieder in das Gewichtselement und das mindestens eine Ausgleichselement aufteilen.
Neben der bisher angesprochenen Ausgestaltung des Mitnahme- und des Anschlagselements kann eine formflüssige Verbindung des Ausgleichselements und des Gewichtselements über Rasthaken, Rastzungen oder anderweitige ausgebildete Fortsätze realisiert werden, welche in entsprechend den jeweiligen Elementen angepasste Aussparungen lösbar eingreifen können und bei einer Rotation des Gewichtselements in Drehrichtung mitgenommen werden können. Beispielsweise kann die Verbindung des Gewichtselements mit dem mindestens einen Ausgleichelement über eine magnetische Verbindung erfolgen, welche über einen geeigneten Mechanismus wieder gelöst werden kann.
Weiterhin kann das Gewichtselement über eine nicht lösbare Verbindung mit dem mindestens einen Ausgleichselement verbunden werden. Hierfür kann eine Rundfeder mit einem Ende an dem Ausgleichselement und mit einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende, dem Gewichtselement angeordnet sein. Die Feder ist so ausgestaltet, dass bei einer Auslenkung des Gewichtselements aus der
Gewichtselementruhe in die Gewichtselementarbeitsposition das dem Gewichtselement zugeordnete Ausgleichselement nicht ausgelenkt wird. Erst bei einer Auslenkung des Gewichtselements aus dem Gleichgewichtsbereich in den Ungleichgewichtsbereich wird das zugeordnete Ausgleichselement in Drehrichtung des Gewichtselements mitgenommen .
Es ist auch möglich und erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass die mechanische Eingriffseinrichtung so ausgestaltet ist, dass das Gewichtselement und das mindestens eine Ausgleichselement in beide Drehrichtungen des
Gewichtselements miteinander zu dem Verbundelement verbindbar sind.
Das Gewichtselement sowie das mindestens eine Ausgleichselement können an beiden den jeweiligen benachbarten Elementen zugewandten Seitenflächen in radialer Ausrichtung Mitnahme- und Anschlagselemente ausweisen, welche so angeordnet sind, dass das Gewichtselement bei einem Überschreiten des Gleichgewichtsbereichs in den Ungleichgewichtsbereich mechanisch in das mindestens eine Ausgleichsgewicht eingreifen kann, um das Verbundelement zu bilden. Die an der Seitenfläche angeordneten Mitnahme- und Anschlagselemente sind dabei vorzugsweise so angeordnet, dass die Drehrichtung des Gewichtselements für die Bildung des Verbundelements unerheblich ist. Hierfür können die Elemente so ausgebildet sein, dass ein Eingriff des Mitnahmeelements in das Anschlagselement in beiden Drehrichtungen erfolgen kann, oder es können für jede Drehrichtung ausgelegte Elemente eingesetzt werden. Vorzugsweise kann der Generator deshalb in beide möglichen Drehrichtungen der Hohlwelle dazu verwendet werden Strom zu produzieren und in dem Fall des außergewöhnlichen Betriebszustandes durch die Bildung des Verbundelements vor durch Vibrationen ausgelöste Beschädigungen geschützt sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Gewichtselement ein exzentrisch angeordnetes Zusatzgewicht aufweist, wobei das Zusatzgewicht so ausgestaltet ist, dass es die durch die mechanische Eingreiffeinrichtung erzeugte Unwucht reduziert.
An dem Gewichtselement kann ein zusätzliches Gewicht angebracht sein oder während der Bildung des Verbundelements angebracht werden. Dieses Zusatzgewicht kann beispielsweise in axialer Richtung an dem Gewichtselement angebracht sein, sodass es dem mindestens einen Ausgleichsgewicht abgewandt ist. Das zusätzliche Gewicht kann dabei so angeordnet sein, dass der Schwerpunkt des Gewichtelements selbst nicht oder nur geringfügig verändert wird. Das zusätzliche Gewicht ist dabei vorzugsweise so ausgestaltet, dass das Gewicht des Anschlagelements und des Mitnahmeelements, welches an dem Verbundelement dem Gewichtselement gegenüberliegend ist, kompensiert wird, sodass auf diese Weise eine weitere Reduktion der Vibrationen bei einem Überschwingen des Gewichtelements erreicht werden kann.
Die eingangs gestellte Aufgabe betrifft auch eine Hohlwelle mit einer Messeinrichtung, die eine Sensoreinrichtung, eine Sensordatenverarbeitungseinrichtung, eine
Kommunikationseinrichtung zur Datenübertragung, und einen Generator aufweist, wobei die Messeinrichtung in der Hohlwelle angeordnet ist
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Generator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgestaltet ist. Über die an der Hohlwelle angeordnete Messeinrichtung können beispielsweise Dehnungen der Hohlwelle selbst messtechnisch erfasst, verarbeitet und weitergeleitet werden. Durch die Anordnung der Messeinrichtung innerhalb der Hohlwelle ist die Messeinrichtung sowie ihre einzelnen Komponenten vor äußeren Einflüssen geschützt. Die erfindungsgemäße Ausführung des Generators mit einem Schutz vor auftretenden Vibrationen bei dem Überschwingen des Gewichtselements schützt die Messeinrichtung weiterhin vor Beschädigungen.
Die Sensordatenverarbeitungseinrichtung kann dafür geeignet sein, die Messsignale der Sensoreinrichtung aufzunehmen und in einer geeigneten Datenstruktur zu speichern. Weiterhin kann die Einrichtung eine Datenbank aufweisen, mit welcher die aufgenommenen Sensordaten abgeglichen werden können.
Die Kommunikationseinrichtung kann dabei zur Kommunikation und Übertragung der durch die Messeinrichtung aufgenommenen Sensordaten dienen. Durch die Kommunikationseinrichtung kann ein Kanal bereitgestellt werden, durch den die Messgrößen an einen Empfänger oder eine Empfangseinrichtung übertragen werden können. Die Kommunikation kann hierbei über Breitband, Bluetooth, beziehungsweise über WLAN oder WPAN, aber auch über das Mobilfunknetz (GSM, UMTS, LTE, 5G) erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindergedankens ist vorgesehen, dass die Messeinrichtung eine Energiespeichereinrichtung aufweist, wobei die Energiespeichereinrichtung dazu geeignet und eingerichtet ist, den mit dem Generator erzeugten Strom in der Energiespeichereinrichtung zu speichern und die Messeinrichtung während eines Betriebs mit Energie zu versorgen .
Die Messeinrichtung über eine signalübertragende Verbindung, wie beispielsweise ein Kabel oder eine Leiterbahn, mit der Energiespeichereinrichtung verbunden werden, wodurch die Sensoreinrichtung, die Sensordatenverarbeitungseinrichtung, und die Kommunikationseinrichtung mit Energie versorgt werden kann. Weiterhin kann die Messeinrichtung über eine direkte signalübertragende Verbindung mit dem Generator verbunden sein und von diesem mit Strom versorgt werden.
Neben der Speicherung der Energie in Form von Strom kann die Energiespeichereinrichtung auch dazu genutzt werden, dass in der Phase des Überschwingens des Gewichtelements, in welcher kein Strom durch den Generator produziert werden kann, die Messeinrichtung weiterhin Messdaten aufnehmen, verarbeiten und gegebenenfalls weiterleiten kann. Somit ist die Energiespeichereinrichtung in der Lage, ohne eine externe Energieversorgung - wenn auch zeitbegrenzt - alle in der Hohlwelle angeordneten Messinstrumente mit Strom versorgen zu können. Auf diese Weise kann eine autarke Energieversorgung gewährleistet werden. Zur Speicherung der elektrischen Energie kann in dem von der Hohlwelle gebildeten Innenraum die Energiespeichereinrichtung als Akkumulator, als Batterie oder als Kondensator realisiert sein. Optional kann die Energiespeichereinrichtung einen externen Stecker aufweisen, mit welchem die Energiespeichereinrichtung von einer externen Quelle mit elektrischer Energie versorgt werden kann.
Es ist auch möglich und erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass die Messeinrichtung eine Energieaufbereitungselektronik aufweist, wobei die Energieaufbereitungselektronik dazu eingerichtet ist, die durch den Generator generierte Energiemenge zu überwachen und/oder zu regeln. Über die Energieaufbereitungselektronik kann über die zu erwartende Sollmenge an gewonnener Energie relativ zu der Istmenge auf mögliche Probleme der Vorrichtung geschlossen werden. Die bei einer Drehbewegung der Hohlwelle erzeugte Istmenge kann von der erwarteten Sollmenge beispielsweise dadurch abweichen, dass die Welle senkrecht zum Erdschwerefeld angeordnet ist und deshalb keine unterschiedliche Drehbewegung zwischen Rotor und Stator ausbildet, oder dass bei einem Lagerschaden der Welle sich die Welle nicht frei drehen und der Rotor relativ zum Stator verdrehen kann, oder wenn sich das Verbundelement bei einem erneuten Starten der Hohlwelle nach einem Überschwingen nicht mehr trennen lässt. Über die Kommunikationseinrichtung können die erfassten Werte in geeigneter Weise weitergeleitet werden.
Verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Generators zur Anordnung in einer in Rotation versetzbaren Hohlwelle werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine Schnittansicht durch eine Hohlwelle mit einem in der Hohlwelle angeordnetem Generator sowie einer Welle mit einem Gewichtselement und zwei Ausgleichselementen,
Figur 2 eine Schnittansicht durch die Hohlwelle sowie die Welle mit Generator, Gewichtselement und Ausgleichselementen, Figur 3 eine Ansicht entlang einer Rotationsachse der Welle mit dem Gewichtselement und zwei Ausgleichselemente, wobei sich das Gewichtselement in der Arbeitsposition befindet.
Figur 4 eine Ansicht eine Ansicht entlang der Rotationsachse der Welle mit dem Gewichtselement und zwei
Ausgleichselemente, wobei das Gewichtselement mit dem ersten Ausgleichselement verbunden ist,
Figur 5 eine Ansicht eine Ansicht eine Ansicht entlang der Rotationsachse der Welle mit dem Gewichtselement und zwei Ausgleichselemente, wobei die Elemente zu einem Verbundelement verbunden sind,
Figur 6 eine Ansicht des Verbundelements bestehend aus einem Gewichtselement und zwei Ausgleichselementen, und
Figur 7 eine Schnittansicht der Hohlwelle mit einer in der Hohlwelle angeordneten Messeinrichtung.
In Figur 1 und Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer Generator 1 dargestellt welcher in einer rotierenden Hohlwelle 2 angeordnet ist. In Figur 1 weist die dargestellte Hohlwelle 2 eine nahezu zylindrische Formgebung auf, wobei die Hohlwelle 2 aus zwei miteinander verbindbaren Hohlwellenteilelementen 3 zusammengesetzt ist. In der Figur 1 ist für eine bessere Übersicht nur ein Hohlwellenteilelement 3 der Hohlwelle 2 dargestellt. Die Hohlwellenteilelemente 3 weisen an einer Kontaktflache, über welche die Teilelemente 3 miteinanderverbunden werden können Ausnehmungen auf, durch welche Verbindungselemente geführt werden können, die ein Verbinden der Teilelemente 3 ermöglichen. In dem von der Hohlwelle 2 gebildeten Innenraum 4 ist eine zylinderförmige als Stab ausgeführte Welle 5 angeordnet, welche an zwei sich gegenüberliegenden Enden der Welle über jeweils ein Wellenlager 6 drehbar mit der Hohlwelle 2 verbunden ist. Die Wellenlager 6 sind hierbei als keramische Wälzlager ausgestaltet um eine möglichst geringe Reibung zu erreichen sowie eine Übertragung eines Drehmoments der Hohlwelle 2 auf die Welle 5 zu unterdrücken. Die Rotationsachse 7 der Hohlwelle 2 und die Rotationsachse 8 der Welle 5 sind hierbei zentrisch zueinander angeordnet, sodass die beiden Rotationsachsen 7,8 aufeinander fallen bzw. koaxial angeordnet sind. An einem Ende der Welle ist ein Generator 1 angeordnet, wobei mit dem Generator 1 bei einer Rotation der Hohlwelle 2 Strom erzeugt werden kann. Der Generator 1 weist hierfür einen Rotor 9 auf sowie einen in dem Rotor 9 angeordneten Stator 10.
Der Stator 10 ist an der Welle 5 festgelegt und weist dieselbe Rotationsachse 8 auf wie die Welle 5 und die Hohlwelle 2. Der als Stift ausgestaltete Stator 10 ist in radialer Richtung von dem magnetischen Rotor 9 umgeben, welcher mehrere den Stator 10 radial umgebende Permanentmagneten aufweist. Der Rotor 9 ist so an einer Innenseite der Hohlwelle 2 bzw. an einer Innenseite eines Hohlwellenteilelements 3 angeordnet, dass der Rotor 9 bei einer Rotation der Hohlwelle 2 in Drehrichtung der Hohlwelle 2 rotiert, sodass durch die Rotation des Stators 10 in dem magnetischen Feld ein magnetisches Drehmoment auf den Stator 10 und damit auf die mit dem Stator 10 verbundene Welle 5 bewirkt wird. In einer Verdickung der zylinderförmigen Hohlwelle 2 ist ein an der Welle 5 zwischen den beiden Wellenlagern 6 der Welle 5 festgelegtes exzentrisch angeordnetes Gewichtselement 11 festgelegt. Das als Halbkreisscheibe ausgestaltete Gewichtselement 11 ist starr an der Welle 5 festgelegt. In einer Ruhelage des Gewichtselements 11 ist dieses mit dem Schwerpunkt entlang des Schwerefelds der Erde angeordnet, wobei der Schwerpunkt nicht auf der Rotationsachse 8 der Welle 5 liegt. Im Betrieb des Generators 1, d.h. bei einer Rotation der Hohlwelle 2 wirkt das durch die Rotation der Hohlwelle 2 erzeugte magnetische Drehmoment auf das exzentrisch gelagerte Gewichtselement 11. Hierbei wird das Gewichtselement 11 durch das magnetische sowie geringfügig durch ein über die Wellenlager 6 der Welle 5 übertragenes Drehmoment bei einer konstanten Rotation der Hohlwelle 2 aus seiner Gewichtselementruhelage in eine Gewichtselementarbeitslage ausgelenkt. In der Gewichtselementarbeitslage befindet sich das Gewichtselement 11 in einem Gleichgewichtsbereich. In dem Gleichgewichtsbereich, welcher < 90° beträgt, ist der Generator 1 dazu in der Lage, Strom zu produzieren. Die Stromausbeute ist hierbei unteranderem abhängig von der Masse und dem Auslenkungswinkel des Gewichtselements 11 sowie von dem einem inneren Widerstand der elektronischen Schaltung. Neben der Auslenkung des Gewichtselements 11 durch das vorwiegend magnetische Drehmoment wirkt auf das aus seiner Gewichtselementruhelage ausgelenkte Gewichtselement 11 eine rückstellende dem magnetischen Drehmoment entgegengesetzte Kraft in Form eines Gravitationsdrehmoments. Im Gleichgewichtsbereich befindet sich das Gewichtselement 11 bei einem festen Auslenkungswinkel in der Arbeitslage, welcher vorzugsweise etwas weniger als 90° beträgt, wobei bei einem Auslenkungswinkel von 90° das magnetische Drehmoment und das Gravitationsdrehmoment gleich groß sind.
Überschreitet der Wert des magnetischen Drehmoments beispielsweise durch eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit der Hohlwelle 2 das Gravitationsdrehmoment, so wird das Gewichtselement 11 aus der Gleichgewichtslage heraus in einen
Ungleichgewichtsbereich verlagert. Eine derartige Verlagerung kann auch durch eine Neigung der Hohlwelle 2, bzw. der Welle 5 und damit einer relativen Verschiebung der Welle 5 im Erdschwerefeld hervorgerufen werden. In dem Ungleichgewichtsbereich überschreitet das auf das Gewichtselement 11 wirkende magnetische Drehmoment das Gravitationsdrehmoment. In diesem außergewöhnlichen Betriebszustand beginnt das Gewichtselement 11 überzuschwingen und zusammen mit der Welle 5 zu rotieren.
Ohne eine Sicherungsmöglichkeit erreicht die Welle 5 eine Rotationsgeschwindigkeit, welche der Drehzahl der Hohlwelle 2 entspricht. Durch die statische Unwucht des exzentrisch an der Welle 5 gelagerte Gewichtselement 11 entstehen Vibrationen, welche in der Hohlwelle 2 angeordnete Messeinrichtungen oder sonstige vibrationsgefährdete Bauteile wie das Wellenlager 6 oder die Welle 5 selbst beschädigen oder gar zerstört können.
Zur Sicherung eines derart ungewöhnlichen Betriebszustandes sind an der dem Generator 1 abgewandten Seite des Gewichtselements 11 an der Welle 5 zwei exzentrisch gelagerte und in diesem Ausführungsbeispiel identisch ausgeführte Ausgleichselemente 12, 13 angeordnet. Die Ausgleichselemente 12, 13 sind in radialer Richtung beabstandet zueinander und beabstandet zu dem Gewichtselement 11 zwischen den beiden Wellenlagern 6 der Welle 5 angeordnet. Die Ausgleichselemente 12, 13 sind hierbei als jeweils viertelkreisförmige Scheiben ausgestaltet und über ein Ausgleichselementlager 14 so an der Welle 5 angeordnet, dass eine radiale Bewegung ermöglicht wird. Durch diese die in radialer Richtung bewegliche Lagerung der Ausgleichselemente 12, 13 werden diese bei einer Auslenkung des Gewichtselements 11 aus seiner Gewichtselementruhelage in die Gewichtselementarbeitslage nicht mit ausgelenkt, sondern sind entlang des mit ihren jeweiligen Schwerpunkten entlang des Schwerefeldes der Erde ausgerichtet .
Um eine durch Vibrationen der Rotation der Welle 5 und damit des Gewichtselements 11 in dem Ungleichgewichtsbereich zu reduzieren, kann das Gewichtselement 11 mit den zwei Ausgleichselemente 14 zu einem Verbundelement 15 verbunden werden. Das Verbundelement 15 ist so ausgestaltet, dass eine durch das rotierende Verbundelement 15 bewirkte Unwucht geringer ist als die durch das rotierende Gewichtselement 11 bewirkte Unwucht, um auf diese Weise die erzeugten Vibrationen zu reduzieren.
Die zwei Ausgleichselemente 12, 13 sind bei einem Überschwingen des Gewichtselements 11 mechanisch über eine Eingriffseinrichtung 16 aneinander und an dem Gewichtselement 11 festlegbar. Die Eingriffseinrichtung 16 weist hierbei ein Mitnahmeelement 17 und ein Anschlagselement 18 auf. An dem Gewichtselement 11 sind an einer dem benachbarten Ausgleichselement 12 zugewandten Seitenfläche zwei beabstandet zueinander angeordnete und in einem Winkel radial hervorstehende Mitnahmeelemente 17 in Form eines Zylinders mit kreisförmiger Grundfläche angeordnet.
Das dem Gewichtselement 11 benachbarte Ausgleichselement 12 weist auf der dem Gewichtselement 11 zugewandten Seite zwei Anschlagselemente 18 auf. Die Anschlagselemente 18 sind in Form von in einem Winkel zur Seitenfläche hervorspringende Halbschalen ausgestaltet. Die Halbschalen sind so angeordnet, dass sie in der Ruhelage der Ausgleichselemente 12 mit der offenen Schale dem Erdschwerefeld zugewandt sind. Die Formgebung der Anschlagselemente 18 sind an die Mitnahmeelemente 17 angepasst. Bei einer Auslenkung des Gewichtselements 11 aus seiner Ruhelage greift jeweils ein Mitnahmeelement 17 abhängig von der Rotationsrichtung des Gewichtselements in ein zugeordnetes Anschlagselement 18 des benachbarten Ausgleichselements 12 ein und nimmt dieses in seiner Rotationsrichtung mit.
Auf einer der dem Gewichtselement 11 abgewandten Seitenfläche des Ausgleichselements 12 sind zwei beabstandet zueinander angeordnete Mitnahmeelemente 17 angeordnet. Das zweite Ausgleichselement 13 ist so ausgestaltet, dass es bei einer Drehung des Gewichtselements 11 und des daran festgelegten ersten Ausgleichselements 12 ebenfalls durch eine formflüssige Verbindung des Mitnahmeelements 17 und des Anschlagselements 18 mitgezogen wird. Auf diese Weise kann die resultierende statische Unwucht und damit die Vibration der Welle mit den an der Welle festgelegten Ausgleichselementen 12, 13 und des Gewichtselements 11 reduziert werden. In der Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht des gebildeten Verbundelements 15 gezeigt, welches aus einem halbkreisförmig ausgestalteten Gewichtselement 11 sowie zwei Ausgleichsgewichtselementen 12, 13 besteht, welche jeweils als viertelkreisförmige Ausgleichselemente ausgeführt sind.
In Blickrichtung zur Rotationsachse 8 der Welle 5 ergeben die beiden Ausgleichselemente 12, 13 sowie das Gewichtselement 11 eine kreisförmige Scheibe, welche aus den drei in axialer Richtung der Welle 5 versetzt zueinander angeordneten Elementen aufgebaut ist.
In den Figuren 4 bis 6 ist der Eingriff des überschwingenden Gewichtselements 11 in das erste 12 Ausgleichsgewicht sowie der Eingriff des von dem Gewichtelement mitgezogenen ersten Ausgleichselement in das zweite 12 Ausgleichselement zur Bildung des Verbundelements 15 aus Figur 3 gezeigt.
In der Figur 4 ist eine Darstellung des Gewichtselements 11 und der beiden Ausgleichsgewichte 12, 13 entlang der Rotationsachse 8 der Welle 5 dargestellt. Das Gewichtselement 11 befindet sich hierbei ausgelenkt in seiner Arbeitslage im Gleichgewichtsbereich, wobei der Schwerpunkt des Gewichtselements bei einem Auslenkungswinkel von 90° befindet. Das erste 12 sowie das zweite 12 Ausgleichselement befinden sich in der Ausgleichselementruhelage.
In Figur 5 überschwingt das Gewichtselement 11 und wird von dem Gleichgewichtsbereich in den Ungleichgewichtsbereich verlagert. Bei der Auslenkung des Gewichtselements 11 mit einer Drehrichtung entgegen des Uhrzeigersinns greift das in radialer Richtung näher an der Rotationsachse 8 der Welle 5 angeordnete Mitnahmeelement 17 in das Anschlagselement 18 des ersten Ausgleichselement 12 ein und zieht dieses mit sich.
In Figur 6 greift bei einer fortgeschrittenen Verlagerung des Gewichtselements 11 ein Mitnahmeelement 17 des ersten 12 von dem Gewichtselement 11 mitgezogenen Ausgleichselement in das Anschlagselement 18 des zweiten Ausgleichselements 13 ein, wodurch das zweite Ausgleichselement 13 mitgezogen und das Verbundelement 15 gebildet wird.
In Figur 7 ist eine Schnittansicht der Hohlwelle 2 dargestellt. In der Hohlwelle 2 ist eine schematisch dargestellte Messeinrichtung 19 gezeigt. Die Messeinrichtung 19 weist eine Sensoreinrichtung 20 zur Erfassung von auf die Hohlwelle 2 einwirkenden Kräften, eine
Sensordatenverarbeitungseinrichtung 21 zur Verarbeitung und Weiterleitung der über die Sensoreinrichtung 20 erfassten Daten, eine Kommunikationseinrichtung 22 zur Weiterleitung der Sensordaten an eine externe Einrichtung, sowie eine Energiespeichereinrichtung 23 auf.
B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E
1 Generator
2 Hohlwelle
3 Hohlwellenteilelementen
4 Innenraum der Hohlwelle
5 Welle
6 Wellenlager
7 Rotationsachse der Hohlwelle
8 Rotationsachse der Welle
9 Rotor
10 Stator
11 Gewichtselement
12 Erstes Ausgleichselement
13 Zweites Ausgleichselement
14 Ausgleichselementlager
15 Verbundelement
16 Eingriffseinrichtung
17 Mitnahmeelement
18 Anschlagselement
19 Messeinrichtung
20 Sensoreinrichtung
21 Sensordatenverarbeitungseinrichtung
22 Kommunikationseinrichtung
23 Energiespeichereinrichtung

Claims

PA T E N TA N S P R Ü C H E
1. Generator (1) zur Anordnung in einer in Rotation versetzbaren Hohlwelle (2), wobei der Generator (1) einen mit der Hohlwelle (2) verbundenen Rotor (9) und einen Stator (10) aufweist, und wobei an dem Stator (10) eine mit dem Stator
(10) verbundene Welle (5) angeordnet ist, wobei an der Welle (5) ein starr an der Welle (5) festgelegtes Gewichtselement
(11) angeordnet ist, wobei ein Schwerpunkt des Gewichtselements (11) nicht auf einer Rotationsachse (8) der Welle (5) liegt, wobei bei einer Rotation der Hohlwelle (2) mit dem Rotor (9) ein Generator-Drehmoment auf das Gewichtselement (11) wirkt, wobei bei einer durch das Drehmoment bewirkten Auslenkung des Gewichtselements (11) durch den exzentrischen Schwerpunkt des Gewichtselements (11) eine auf das ausgelenkte Gewichtselement (11) rückstellende und dem Drehmoment entgegenwirkendes Gravitationsdrehmoment im Erdschwerefeld wirkt, sodass bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Generators (1) abhängig von der Rotation der Hohlwelle (2) das Gewichtselement (11) in einem Gleichgewichtsbereich von einer Gewichtselementruhelage in eine Gewichtselementarbeitslage ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein in Umfangsrichtung schwenkbar gelagertes Ausgleichselement (12, 13) an der Welle (5) oder koaxial zu der Welle (5) angeordnet ist, wobei das Gewichtselement (11) bei einer Auslenkung des Gewichtselements (11) in einen Ungleichgewichtsbereich überschwingt und mit dem mindestens einen Ausgleichselement (12, 13) zu einem Verbundelement (15) verbunden wird, sodass eine durch das rotierende Verbundelement (15) bewirkte Unwucht geringer als die durch das rotierende Gewichtselement (11) bewirkte Unwucht ist.
2. Generator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ausgleichsgewicht (12, 13) axial versetzt zu dem Gewichtselement (11) und koaxial zu der Welle (5) angeordnet ist, wobei sich das mindestens eine
Ausgleichsgewicht (12, 13) in einer
Ausgleichsgewichtsruhelage befindet, solange eine Auslenkung des Gewichtselements (11) den Gleichgewichtsbereich nicht überschreitet .
3. Generator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gewichtselement (11) und an dem mindestens einen Ausgleichselement (12, 13) in axialer Richtung eine mechanische Eingriffseinrichtung (16) angeordnet ist, durch welche bei einem Verdrehen des Gewichtselements (11) aus dem Gleichgewichtsbereich heraus ein formschlüssiger Eingriff des Gewichtselements (11) mit dem Ausgleichselement (12) bewirkt wird.
4. Generator (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Eingriffseinrichtung (16) ein Mitnahmeelement (17) und ein Anschlagselement (18) aufweist, wobei das Mitnahmeelement (17) bei einem Verdrehen des Gewichtselements (11) aus dem Gleichgewichtsbereich heraus in das Anschlagselement (18) eingreift und durch den formschlüssigen Eingriff das Ausgleichselement (12) in Drehrichtung des Gewichtselements (11) mitnimmt.
5. Generator (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Eingriffseinrichtung (16) so ausgestaltet ist, dass das Gewichtselement (11) und das mindestens eine Ausgleichselement (12) in beiden Drehrichtungen des Gewichtselements (11) miteinander zu dem Verbundelement (15) verbindbar sind.
6. Generator (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtselement (11) ein exzentrisch angeordnetes Zusatzgewicht aufweist, wobei das Zusatzgewicht so ausgestaltet ist, dass es die durch die mechanische Eingreiffeinrichtung (16) erzeugte Unwucht reduziert .
7. Hohlwelle (2) mit einer Messeinrichtung (19), die eine Sensoreinrichtung (20), eine
Sensordatenverarbeitungseinrichtung (21), eine Kommunikationseinrichtung (22) zur Datenübertragung, und einen Generator (1) aufweist, wobei die Messeinrichtung (19) in der Hohlwelle (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgestaltet ist.
8. Hohlwelle (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (19) eine Energiespeichereinrichtung (23) aufweist, wobei die Energiespeichereinrichtung (23) dazu geeignet und eingerichtet ist, den mit dem Generator (1) erzeugten Strom in der Energiespeichereinrichtung (23) zu speichern und die Messeinrichtung (19) während eines Betriebs mit Energie zu versorgen.
9. Hohlwelle (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (19) eine Energieaufbereitungselektronik aufweist, wobei die Energieaufbereitungselektronik dazu eingerichtet ist, die durch den Generator (1) generierte Energiemenge zu überwachen und/oder zu regeln.
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