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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Vorrichtungen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Solche Vorrichtungen weisen einen Stator und einen Rotor auf und sind zur elektromechanischen Energiewandlung bestimmt. Beispiele für solche elektrischen Vorrichtungen sind Generatoren und Motoren, beispielsweise Elektrolüfter. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Zentrifugenmotoren.
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Bei solchen Vorrichtungen ist der Rotor, insbesondere eine Motorwelle, über zumindest ein Lager drehbar gegenüber dem Stator gelagert. Zum Ausgleich von axialen Verschiebungen zwischen Rotor und Stator werden Federelemente eingesetzt, die eine definierte Vorspannung zwischen Stator und Rotor erzeugen und so beide Bauteile in definierter Position zueinander halten.
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In Abhängigkeit von der Auslegung der verwendeten Bauteile, d. h. deren Material, Masse, Größe und Geometrie, und der Belastung der Vorrichtung treten im Betrieb unterschiedliche Betriebszustände mit unterschiedlichen Schwingungen auf. Diese Schwingungen werden dadurch von der Umgebung entkoppelt, dass zwischen Vorrichtung und Umgebung Dämpfungselemente vorgesehen sind, beispielsweise Pufferfüße oder gedämpfte Aufhängungen der Vorrichtung.
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Diese auftretenden Schwingungen hängen von vielen individuellen Einflussfaktoren ab, weshalb die Schwingungsdämpfung an den speziellen Einsatzzweck und in Bezug auf die Bauteilgegebenheiten durch individuell auszulegende Schwingungsdämpfung zwischen Vorrichtung und Umgebung angepasst werden muss. Bei Motoren beispielsweise, die in Zentrifugen verwendet werden, treten unterschiedliche Betriebszustände in Abhängigkeit von der Motordrehzahl auf und außerdem hat noch die Masse des verwendeten Rotors eine starke Auswirkung auf diese Betriebszustände.
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Eine Schwingungsdämpfung, die sämtliche Schwingungszustände unterdrückt, ist nicht möglich, sondern es kann nur eine Optimierung dahingehend vorgenommen werden, dass für alle möglichen Betriebszustände die kritischsten Schwingungen gedämpft werden. Allerdings muss eine solche Optimierung in der Regel bei einem Wechsel des Einsatzzwecks der elektrischen Vorrichtung, beispielsweise bei einem Rotorwechsel bei Zentrifugenmotoren, erneut vorgenommen werden und es können – wie gesagt – nicht alle Schwingungen vollständig für alle Betriebszustände gedämpft werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schwingungsdämpfung bereit zustellen, die auch für unterschiedliche Betriebszustände eine deutlich verbesserte Schwingungsdämpfung gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer elektrischen Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Gegenstandes sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Schwierigkeit bei der Optimierung der Schwingungsdämpfung darin besteht, dass die bei den verschiedenen Betriebszuständen auftretenden Schwingungen unterschiedliche Ursachen haben und dadurch eine gleichzeitige Dämpfung erschwert wird. Hier setzt die Erfindung an und bewirkt eine gezielte Schwingungsdämpfung unabhängig von der Dämpfung zwischen Vorrichtung und Umgebung schon im Inneren der Vorrichtung. Dadurch wird ein Teil der Schwingungen vorab beseitigt und die Schwingungsdämpfung zwischen Umgebung und Vorrichtung kann wesentlich effizienter auch für unterschiedliche Betriebszustände erfolgen.
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Diese erfindungsgemäße Schwingungsdämpfung wird dadurch erreicht, dass zwischen Stator und Rotor der Vorrichtung zumindest ein Dämpfungsmittel vorgesehen ist, um Relativschwingungen zwischen Rotor und Stator zu dämpfen. Dadurch werden diese Relativschwingungen von anderen Schwingungsformen abgetrennt und die anderen Schwingungsformen lassen sich wesentlich optimierter durch eine Dämpfung zwischen Vorrichtung und Umgebung dämpfen.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Dämpfungsmittel handelt es sich nicht um ein metallisches Federelement. Solche Federelemente sind übliche Mittel nach dem Stand der Technik zur Vorspannung. Die Anordnung solcher Federelemente zwischen Stator und Rotor bewirken aber im Normalfall keine Dämpfung der Schwingungen im Sinne der Erfindung. Federelemente fangen Schwingungen lediglich ab. Dass solche Federelemente im Realfall dennoch materialbedingt aufgrund von Wärmerzeugung eine gewisse Dämpfung bereitstellen, ist in diesem Zusammenhang unerheblich, da diese Dämpfung vergleichsweise gering und nicht beherrschbar ist und die erregten Schwingungen der Vorrichtung nicht wesentlich vermindert. Metallische Federelemente und dgl. sind also keine Dämpfungsmittel im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Dadurch, dass nun zwischen Stator und Rotor erfindungsgemäß ein Dämpfungsmittel vorgesehen ist, kann durch Auswahl geeigneter Materialien für das Dämpfungsmittel eine Anpassung der Dämpfung an die mit der Vorrichtung verbundenen Betriebszustände und Eigenschaften vorgenommen werden bei gleichzeitiger Abdeckung eines maximalen Spektrums abgedeckter Betriebszustände und Eigenschaften der Vorrichtung, beispielsweise unterschiedlicher Rotormassen bei Zentrifugenmotoren. Die selektive Einstellbarkeit ist auch in einer Serienherstellung gut beherrschbar, da die zu dämpfenden Schwingungen von der Vorrichtung selbst verursacht sind und im wesentlichen keine Anpassung an die Eigenschaften der Umgebung erforderlich ist.
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Während also bei üblichen Vorrichtungen die Lagerung der rotierenden Bauteile quasi starr ausgelegt ist und zum Ausgleich von axialen Verschiebungen Federelemente eingesetzt werden, durch die eine fest Vorspannung erzeugt wird, erfolgt die Lagerung nun über das Dämpfungsmittel, das ggf. auch die Vorspannung bereitstellt, wobei das Lager axial beweglich gehalten ist. Dadurch wird der bisherige Nachteil überwunden, dass die federnde Vorspannung, die in begrenztem Umfang Relativbewegungen zwischen Rotor und Stator zulässt, um Bauteiltoleranzen in axialer Richtung auszugleichen, bei bestimmten Betriebszuständen Schwingungen ermöglicht, die nicht gedampft sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Dämpfungsmittel zur Dämpfung axialer Schwingungen des Rotors gegenüber dem Stator eingerichtet ist. Dadurch werden betriebsbedingte axiale Schwingungen innerhalb der Vorrichtung besonders wirksam unterbunden. Axial bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Schwingung relativ entlang der Achse des Rotors zum Stator erfolgt. Im Fall von Zentrifugenmotoren, die in Zentrifugen zumeist vertikal eingebaut sind, handelt es sich dabei um Vertikalschwingungen.
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Diese Vertikalschwingungen sind vor allem bei Zentrifugenmotoren, die bei sehr hohen Drehzahlen von beispielsweise > 16.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden, besonders relevant, denn gerade bei derart hohen Drehzahlen haben vertikale Schwingungen zwischen Rotor und Stator negative Auswirkungen. Es kommt zu Resonanzeffekten, die Lagerlebensdauer leidet und es findet eine Vernichtung von Energie durch die Schwingungen statt. Durch die Dämpfung der relativen Vertikalschwingungen wird eine Erhöhung der Lagerlebensdauer erreicht und zugleich wird auch die Lebensdauer des Zentrifugenmotors erhöht, weil bisher aus ökonomischen Gründen bei Zentrifugenmotoren kein Lagertausch vorgenommen, sondern auch in anbetracht der Tatsache, dass abgenutzte Lager zu einem Heißlaufen der Motorwelle führen, im allgemeinen der Zentrifugenmotor komplett ausgetauscht wird. Ein weiterer Vorteil der Unterbindung von relativen Vertikalschwingungen ist, dass die Zentrifuge leiser wird und sich ein subjektiv angenehmeres Geräuschspektrum einstellt.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist das Dämpfungsmittel zumindest ein Dämpfungselement auf, das ein Elastomer umfasst, wobei bevorzugt Fluorkautschuk, Perfluorkautschuk, Polyurethan oder dgl. als Elastomer eingesetzt werden. Solche Elastomere weisen neben einer ausreichend hohen Dämpfungsfähigkeit eine sehr gute Formstabilität auf, so dass die Dämpfungseigenschaften des Dämpfungsmittels über lange Zeit erhalten bleiben.
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Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Dämpfungselement ringförmig ausgebildet ist, weil so eine sehr gleichmäßige Dämpfung gewährleistet werden kann. Diese ringförmige Ausbildung des Dämpfungselementes ist natürlich auch dann vorteilhaft, wenn das Dämpfungselement kein Elastomer umfasst.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Dämpfungselement zwischen einem Auflager für das Lager des Rotors und dem Lager selbst angeordnet ist. Dadurch kann das Dämpfungsmittel sehr kompakt gehalten und in bestehende Vorrichtungen integriert werden. Außerdem erfolgt die Dämpfung durch eine derartige Anordnung sehr effizient, weil sie direkt am Ort der Entstehung der Schwingung vorgenommen wird.
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Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn das Auflager Raum für eine Expansion des Dämpfungselementes aufweist, wobei der Raum bevorzugt als eine in Umfangsrichtung des Dämpfungselementes verlaufende Vertiefung im Auflager ausgebildet ist. Dadurch kann das Dämpfungselement ohne weiteres einwirkenden Kräften im Rahmen seiner Materialeigenschaften nachgeben und sich entsprechend verformen. Im Rahmen mit der weiteren zweckmäßigen Weiterbildung, dass das Dämpfungsmittel eingerichtet ist, eine Vorspannung zwischen Stator und Rotor zu bewirken, und der bevorzugten Ausgestaltung, dass das Dämpfungsmittel zur selektiven Anpassung der Vorspannung eingerichtet ist, kann eine sehr genaue Einstellung der Vorspannung erfolgen.
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Die Vorspannung muss dann nicht von einem Federelement, insbesondere einer metallischen Feder, bereitgestellt werden, sondern kann auch durch das Dämpfungselement selbst bewirkt werden, wodurch Stator und Rotor gegeneinander in einer definierten Position gehalten werden.
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Durch die selektive Anpassung der Vorspannung wird zum einen ein gezieltes Anstellen der Lager in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und individuellen Eigenschaften der Vorrichtung ermöglicht. Wenn die Vorspannung über das Dämpfungselement erfolgt, dann besteht zum anderen ein weiterer Vorteil darin, dass die Dämpfungseigenschaften des Dämpfungselementes gezielt verändert werden können, um eine Anpassung an individuelle Vorrichtungseigenschaften und Betriebszustände vorzunehmen.
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Darüber hinaus bietet die selektive Einstellbarkeit der Vorspannung die Möglichkeit, eine definierte Vorspannung unabhängig von herstellungsbedingten Toleranzen einzustellen. Bei der Vorspannung durch Federn bestand nämlich das Problem, dass die Vorspannung in Abhängigkeit von Bauraum- und Federtoleranzen durchaus variierte.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist das Dämpfungsmittel ein an dem Rotor angeordnetes und sich an dem Lager abstützendes Spannelement auf, das bevorzugt als eine Spannhülse ausgebildet ist. Dadurch kann in besonders einfacher Weise eine Vorspannung bewirkt werden.
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In diesem Zusammenhang ist insbesondere vorgesehen, dass zwischen Spannelement und Rotor eine Schraubverbindung besteht. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das Spannelement an einem Schraubelement angeordnet ist, wobei zwischen Schraubelement und Rotor eine Schraubverbindung besteht. Dadurch lässt sich die Vorspannung besonders einfach einstellen. Gegebenenfalls kann auch eine Konterung vorgesehen sein, um diese Vorspannung auch bei hohen Drehzahlen und Lasten konstant zu halten. Dadurch wird auch ein Ausgleich von serienbedingten Schwankungen der Vorspannung bewirkt.
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Außerdem kann an der Spannhülse bzw. dem Schraubelement zugleich auch ein Magnet zur Drehzahlmessung angebracht werden.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn ein zweites Lager für den Rotor vorgesehen ist, das einen axialen Anschlag für den Rotor bildet, wobei dieser Anschlag bevorzugt zwischen dem Lager und einem auf dem Rotor befestigten Ringelement ausgebildet ist.
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Die Merkmale der vorliegenden Erfindung und weitere Vorteile werden nun im Rahmen der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren deutlich. Dabei zeigen:
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1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung in einem unverspannten Zustand und
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2 die Vorrichtung gemäß 1 in einem verspannten Zustand.
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In den 1 und 2 ist rein schematisch im Schnitt die erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung in Form eines Zentrifugenmotors 1 in zwei Betriebszuständen dargestellt. 1 zeigt dabei den Zentrifugenmotor 1 in einem unverspannten Zustand und 2 in einem verspannten Zustand.
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Zu erkennen ist, dass der Zentrifugenmotor 1 einen Rotor, nämlich eine Motorwelle 2, aufweist und einen Stator 3, gegenüber dem der Rotor 2 drehbar gelagert ist. Dabei weist der Stator 3 ein unteres Lagerschild 4 und ein oberes Lagerschild 5 auf, in denen ein jeweiliges unteres 6 und oberes Lager 7 für den Rotor 2 aufgenommen ist. Als axialer Anschlag für das obere Lager 7 ist an der Motorwelle 2 ein Abwurfring 8 durch Kleben, Aufschrumpfen oder dgl. befestigt, der im Betrieb durch seine obere konische Kontur gegebenenfalls aus einer Zentrifuge zum Zentrifugenmotor 1 eindringende Feuchtigkeit entfernt. Weiterhin weist der Stator 3 des Zentrifugenmotors 1 zwei Spulen 9a, 9b und ein Blechpaket 10 auf.
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Zur Dämpfung von Vertikalschwingungen der Motorwelle 2 gegenüber dem Stator 3 ist ein Dämpfungsmittel 11 vorgesehen, das ein Dämpfungselement 12, eine Spannhülse 13 und ein Schraubelement 14 aufweist. Das Dämpfungselement 12 ist zwischen einem über den zylindrischen Aufnahmeraum 15 des unteren Lagerschildes 4 radial nach innen vorspringenden Kragen 16 und dem unteren Lager 6 angeordnet. Im Bereich des Dämpfungselementes 12 ist dabei in die zylindrische Aufnahme 15 des unteren Lagerschildes 4 eine Nut 17 eingebracht, die in Umfangsrichtung des Dämpfungselementes 12 verläuft und gegenüber dem Dämpfungselement 12 einen Ausbreitungsraum bereitstellt, der eine solche lichte Weite ausweist, dass auch bei größtmöglicher Vorspannung des Dämpfungselementes 12 zwischen unterem Lager 6 und unterem Lagerschild 4 das verformte Dämpfungselement 12 nicht in Umfangsrichtung am unteren Lagerschild 4 anliegt (vgl. 2).
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Das Dämpfungselement 12 besteht bevorzugt aus einem Fluorkautschuk oder Perfluorkautschuk, weist dadurch eine hohe Dämpfung auf und besitzt zugleich eine hohe und langlebige Formstabilität. Es ist zwischen dem unteren Lagerschild 4 und dem unterem Lager 6 dadurch festgelegt, dass die Spannhülse 13, die an dem Schraubelement 14 angeordnet ist, über das Schraubelement 14 mit der Motorwelle 2 verschraubt ist. Dadurch und weil der Abwurfring gegenüber dem oberen Lager 7 einen axialen Anschlag der Motorwelle bildet, ist das untere Lager 6 in seiner Position festgelegt, wodurch das Spannelement 12 gehalten ist.
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Auf die Motorwelle 2 einwirkende Vertikalschwingungen werden durch das Dämpfungselement 12 aufgenommen und aufgrund dessen hoher Dämpfung eliminiert. Durch die zwischen Schraubelement 14 und Motorwelle 2 bestehende Schraubverbindung 18 kann das Dämpfungsmittel 11 sehr präzise einjustiert werden und insbesondere können fertigungstechnisch unvermeidbare Toleranzen ausgeglichen werden.
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Außerdem lässt sich, wie in 2 gezeigt, durch gezieltes Spannen des Dämpfungsmittels 11 über die Spannhülse 13 das Dämpfungselement 12 über dessen reines Festlegen zwischen unterem Lagerschild 4 und unterem Lager 6 hinausgehend gezielt vorspannen, wobei das Dämpfungselement 12 sich formt und in die Nut 17 eindringt. Dadurch kann das untere Lager 6 gezielt angestellt werden und die Dämpfungswirkung des Dämpfungselements 12 wird verändert.
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Eine weitere Möglichkeit zur Veränderung der Dämpfung des Dämpfungsmittels 11 besteht in der gezielten Beeinflussung der Dämpfung des Dämpfungselements 12 durch die Auswahl eines Materials, das eine für den jeweiligen Anwendungsbereich erforderliche Dämpfung aufweist.
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Alternativ zu der gezeigten Verwendung einer Spannhülse 13 in Kombination mit einem Schraubelement 14, das über die Schraubverbindung 18 mit der Motorwelle 2 wechselwirkt, kann auch vorgesehen sein, dass die Spannhülse direkt über ein Innengewinde auf ein an der Motorwelle angeordnetes Außengewinde mit der Motorwelle 2 verschraubt ist.
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In der gezeigten bevorzugten Ausgestaltung werden im Wesentlichen nur Vertikalschwingungen, d. h. Schwingungen in axialer Richtung der Motorwelle 2 gedämpft. Alternativ und/oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass hierzu senkrecht auftretende Schwingungen, also in Bezug auf die Motorwelle 2 auftretende Radialschwingungen gedampft werden. Dazu könnte beispielsweise vorgesehen sein, dass in Umfangsrichtung zwischen unterem Lager 6 und unterem Lagerschild 4 ein geeignetes Dämpfungsmittel angeordnet ist, das wiederum ein beispielsweise aus einem Elastomer bestehendes Dämpfungselement aufweist, dass, um vorteilhaft eine Vorspannung bereitzustellen, beispielsweise über einen Doppelkeil, der in Umfangsrichtung zwischen diesem Dämpfungselement und unterem Lagerschild angeordnet ist, vorgespannt werden kann.
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Grundsätzlich ist es mit der vorliegenden Erfindung damit für Zentrifugenmotoren möglich, auch beispielsweise bei einem Rotorwechsel die Dämpfung gezielt einzustellen. Dazu muss allerdings eine Zugriffsmöglichkeit auf das Schraubelement 14 durch den Gehäuseboden der Zentrifuge bereitgestellt werden.
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Aus der vorstehenden Darstellung ist deutlich geworden, dass die erfindungsgemäße elektrische Vorrichtung eine hohe integrierte Schwingungsdämpfung bezüglich der Relativschwingungen zwischen Rotor 2 und Stator 3 aufweist, so dass weitere Dämpfungsmaßnahmen zwischen Vorrichtung und Umgebung weitgehend standardisiert erfolgen können. Die interne Dämpfung der Vorrichtung lässt sich dabei besonders einfach an bestimmte Beschaffenheiten und Verwendungszwecke anpassen.
