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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrkomponentensensor, insbesondere zur Verwendung in Prüfstandanordnungen für Windkraftanlagen.
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Ein Sensor bezeichnet dabei ein technisches Bauteil, welches insbesondere physikalische Eigenschaften aufnehmen bzw. erfassen kann. Unter den aufzunehmenden physikalischen Eigenschaften sind hier insbesondere Kräfte und Momente zu verstehen.
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Die
EP 0575634 offenbart einen Drehmomentsensor, bei dem zwei Flansche durch vier Stege miteinander verbunden sind. Die beiden Flansche weisen den gleichen Durchmesser auf und sind koaxial zueinander angeordnet. Gleichmäßig am Umfang des ersten Flansches und des zweiten Flansches sind Bohrungen verteilt, die der Verschraubung mit geeigneten Anschlussflanschen zur Momenteneinleitung dienen. Die vier Stege zwischen dem ersten Flansch und dem zweiten Flansch sind ebenfalls regelmäßig am Umfang der Flansche verteilt. Auf den vier Stegen sind jeweils Dehnungsmessstreifen angeordnet, welche eine Verformung der Stege aufnehmen. Über eine Messbrücke erfolgt eine Umrechnung der Verformung der Stege in ein äquivalentes Drehmoment.
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Die
US 4735103 zeigt des Weiteren einen zylinderförmigen Kraftsensor, welcher an beiden Enden jeweils ein Anschlusselement mit einer Bohrung aufweist. Die beiden Enden des Kraftsensors sind dabei gegenüberliegend in Bezug auf eine Symmetrieachse des zylinderförmigen Kraftsensors angeordnet. Der Kraftsensor eignet sich in besonderer Weise für die Messung von Kräften in axialer Kraftrichtung. Darüber hinaus reagiert der Kraftsensor auch auf Kräfte, die eine Biegung oder Verdrehung des Sensors hervorrufen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Mehrkomponentensensor der eingangs genannten Art vorzuschlagen, wobei der Mehrkomponentensensor zur Messung der bei Prüfstandanordnungen von Windkraftanlagen auftretenden Kräfte und Momente geeignet ist. Dabei soll der Mehrkomponentensensor mit robusten, handelsüblichen Kraftsensoren so aufgebaut werden, dass er eine hohe Messgenauigkeit aufweist und gleichzeitig die Messung eines Drehmoments, zweier Biegemomente, zweier Querkräfte und einer Axialkraft bei gleichzeitiger Rotation des Mehrkomponentensensors um eine Rotationsachse ermöglicht. Messabweichung und Messfehler, beispielsweise hervorgerufen durch Reibung, übersprechen und/oder Massenträgheit, sollen dabei weitgehend vermieden bzw. eliminiert werden. Übersprechen bezeichnet dabei den Effekt, dass ein vorzugsweise einachsiger Kraftsensor nicht ausschließlich bezüglich seiner primären Wirkrichtung ein Signal abgibt, sondern fälschlicherweise oder zumindest in einem unerwünschten Umfang auch bei Belastungen durch quer zur Wirkrichtung einwirkenden Kräfte oder auch Torsionsmomente ein Messsignal erzeugt wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Mehrkomponentensensor gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Der Mehrkomponentensensor umfasst dabei zwei ringförmige Elemente und wenigstens zwei einachsige Kraftsensoren. Ein erstes ringförmiges Element weist eine erste Seite auf, welche mit einer Belastungseinheit verbindbar ist. Ein zweites ringförmiges Element weist ebenfalls eine erste Seite auf, welche mit einem bewegbaren Element verbindbar ist. Das erste ringförmige Element und das zweite ringförmige Element weisen jeweils eine zweite Seite auf. Das erste ringförmige Element ist auf seiner zweiten Seite bevorzugt mittels der wenigstens zwei einachsigen Kraftsensoren auf der zweiten Seite des zweiten ringförmigen Elements mit diesem verbunden.
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Unter einer Belastungseinheit ist eine Apparatur zu verstehen, welche geeignet ist, die durch Windkraft erzeugten Belastungen, beispielsweise auf einer Rotornabe einer Windkraftanlage, unter Prüfbedingungen zu erzeugen. Dies bedeutet bevorzugt, dass durch einen Antrieb des Prüfstands, beispielsweise eines elektrischen oder hydraulischen Motors, eine Drehbewegung bzw. ein Drehmoment erzeugt wird. Eine Welle verbindet bevorzugt das erste ringförmige Element mit dem Antrieb des Prüfstands. Die Welle ist bevorzugt gelagert, beispielsweise durch hydrostatische Lager oder Wälzlager, wodurch die Welle rotatorisch frei bewegbar ist. Die Lager der Welle sind auf einem Sockel angeordnet, welcher über verstellbare Zylinder mit dem Prüfstand verbunden ist. In einem Neutralzustand sind eine Rotationsachse des ersten ringförmigen Elements und eine Rotationsachse des zweiten ringförmigen Elements koaxial zueinander angeordnet. Durch eine entsprechende Längenverstellung der verstellbaren Zylinder kann eine Schiefstellung der Rotationsachse des ersten ringförmigen Elements im Verhältnis zu der Rotationsachse des zweiten ringförmigen Elements bewirkt werden. Bevorzugt führt dies dazu, dass durch die Schiefstellung neben einem Drehmoment auch Axialkräfte, Lateralkräfte und/oder Biegemomente auf das zweite ringförmige Element eingeleitet werden können.
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Unter axialen Kräften sind Kräfte zu verstehen, die in Längsrichtung, beispielsweise entlang einer Rotationsachse, wirken. Die Begriffe axiale Kräfte und Axialkräfte sind dabei gleichzusetzen.
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Unter lateralen Kräften sind Kräfte zu verstehen, die quer zu einer Achse, beispielsweise einer Rotationsachse, wirken. Die Begriffe laterale Kräfte und Lateralkräfte sind dabei gleichzusetzen. Dabei wirken laterale Kräfte bevorzugt in einer Ebene, welche orthogonal zu einer Längsachse, beispielsweise einer Rotationsachse, angeordnet ist.
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Unter einem Drehmoment ist ein Moment zu verstehen, das um eine Rotationsachse wirkt. Im Gegensatz dazu beschreiben Biegemomente Momente, die entlang einer Achse wirken, die orthogonal zu einer Rotationsachse angeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist das Drehmoment einer axialen Kraftrichtung, beispielsweise der Rotationsachse zuzuordnen, während die Biegemomente den Kraftrichtungen der oben beschriebenen lateralen Kräfte zuzuordnen sind.
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Unter einem bewegbaren Element ist beispielsweise bevorzugt eine Flanschfläche einer Rotorwelle einer Windkraftanlage zu verstehen. Besonders bevorzugt rotiert das bewegbare Element um eine Rotationsachse, welche koaxial zu der Rotationsachse des zweiten ringförmigen Elements angeordnet ist. Eine entsprechende Rotationsbewegung des bewegbaren Elements wird in die Windkraftanlage eingeleitet, unter Umständen erfolgt eine Drehzahländerung mittels eines Getriebes, bevor die Rotationsbewegung in einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie eingeleitet wird. Alternativ dazu kann unter einem bewegbaren Element allerdings auch ein Adapterelement verstanden werden, welches eine Verbindung zwischen dem zweiten ringförmigen Element und einer Flanschfläche einer Rotorwelle einer Windkraftanlage herstellt. Dies hat zum Vorteil, dass das zweite ringförmige Element des Mehrkomponentensensors mit unterschiedlichen Rotorwellen verschiedener Windkraftanlagen verbunden werden kann. Je nach Anschlussfläche ist lediglich ein entsprechendes Adapterelement erforderlich, eine Anpassung des zweiten ringförmigen Elements ist nicht erforderlich. Dies reduziert den Umfang bezüglich Entwicklungs-, Material- und Fertigungskosten des zweiten ringförmigen Elements bzw. des Mehrkomponentensensors.
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Unter einem einachsigen Kraftsensor ist ein Sensor zu verstehen, welcher bevorzugt Kräfte entlang einer Achse, beispielsweise einer Längsachse, aufnimmt. Aufgrund des Übersprechens weisen viele einachsige Kraftsensoren nachteilig die Eigenschaft auf, dass sie nicht ausschließlich bei Belastungen bezüglich ihrer primären Wirkachse ein Signal ausgeben, sondern auch bei Querbelastungen.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist der Mehrkomponentensensor sechs einachsige Kraftsensoren auf. Die Verwendung von sechs einachsigen Kraftsensoren trägt vorteilhaft dazu bei, den Effekt des Übersprechens zu reduzieren bzw. zu eliminieren. Es sind jedoch auch Ausführungen mit mehr oder weniger als sechs einachsigen Kraftsensoren denkbar.
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In einer besonders bevorzugten Form der Ausgestaltung weisen die einachsigen Kraftsensoren jeweils zwei Enden auf. Bevorzugt sind die einachsigen Kraftsensoren dort jeweils an Befestigungspunkten mit dem ersten ringförmigen Bauteil und dem zweiten ringförmigen Bauteil verbunden. Über einen Befestigungspunkt ist einerseits eine feste Verbindung zwischen den Enden der einachsigen Kraftsensoren und dem ersten ringförmigen Bauteil bzw. dem zweiten ringförmigen Bauteil herstellbar. Denkbar ist andererseits auch, dass die einachsigen Kraftsensoren an den Befestigungspunkten mittels Gelenken beweglich gelagert sind, um beispielsweise Versatz zwischen dem ersten ringförmigen Element und dem zweiten ringförmigen Element auszugleichen. Darüber hinaus können die Befestigungspunkte selbst radial umlaufend entlang des ersten ringförmigen Elements und/oder des zweiten ringförmigen Elements verschiebbar angeordnet sein. Vorteilhaft können so ebenfalls eventuelle Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind die einachsigen Kraftsensoren mit elastischen Lenkern verbindbar. Dabei weisen die einachsigen Kraftsensoren und die elastischen Lenker bevorzugt jeweils zwei Enden auf. Die einachsigen Kraftsensoren sind bevorzugt an ihren Enden jeweils mit einem ersten Ende eines elastischen Lenkers verbindbar, während die elastischen Lenker weiter bevorzugt an einem zweiten Ende mit Befestigungspunkten an einem der zwei ringförmigen Elemente verbindbar sind. Unter einem elastischen Lenker ist dabei ein Verbindungs- oder Anschlusselement zu verstehen. Dabei kann eine Verbindung zwischen einem elastischen Lenker und einem einachsigen Kraftsensor über eine Schraub-, Schweiß-, Klebe-, Niet-, Press-, oder Klemmverbindung hergestellt werden. Besonders vorteilhaft sind jedoch lösbare Verbindungen, wie beispielsweise Schraubverbindungen, da hierdurch im Wartungsfall die Demontage und der Austausch einzelner Elemente ermöglicht werden, wodurch Arbeitsaufwand und Arbeitskosten, sowie Ersatzteilkosten reduziert werden.
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In einer weiteren Form der Ausgestaltung sind die elastischen Lenker in Wirkrichtung der einachsigen Kraftsensoren steif und in Querrichtungen dazu weich ausgebildet. Unter weich ist dabei zu verstehen, dass Verlagerungen quer zu der Messrichtung des einachsigen Kraftsensors und Winkelverlagerungen durch den elastischen Lenker ausgeglichen werden können. Dies hat vorteilhaft zur Folge, dass vergleichsweise kleine Querkräfte und Biegemomente in den einachsigen Kraftsensor eingeleitet werden. Verlagerungen quer zu der Messrichtung, also Querkräfte, und Biegemomente erzeugen in den einachsigen Kraftsensoren unter Umständen Messfehler in der eigentlichen Kraftmessrichtung des Sensors. Diese sind somit unerwünscht und können durch den Einsatz der elastischen Lenker reduziert bzw. eliminiert werden.
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Unter Steif ist zu verstehen, dass ein Bauteil bei Krafteinwirkung unnachgiebig ist. Dies bedeutet, dass beispielsweise nur ein geringer Längenausgleich durch das Material, also nur eine geringe Formänderung des Bauteils durch die Belastung, stattfindet. Dies ist in Wirkrichtung der einachsigen Kraftsensoren erwünscht, da so eine steife Verbindung zwischen Prüfling und Belastungseinheit realisiert wird. Durch die Verwendung der elastischen Lenker findet somit eine mechanische Entkopplung der einachsigen Kraftsensoren bezüglich Querkräften und Momenten statt, was sich positiv auf die Messgenauigkeit auswirkt.
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Unter der Wirkrichtung der einachsigen Kraftsensoren ist eine Richtung zu verstehen, entlang welcher die einachsigen Kraftsensoren Kräfte aufnehmen bzw. messen können. Unter Querrichtungen sind Krafteinwirkungen zu verstehen, welche von der Wirkrichtung der einachsigen Kraftsensoren abweichen.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen das ersten ringförmige Element und/oder das zweite ringförmige Element jeweils auf ihrer zweiten Seiten partielle, radial umlaufende Ausnehmungen auf. Durch die Ausnehmungen sind die einachsigen Kraftsensoren in dem ersten ringförmigen Element und/oder in dem zweiten ringförmigen Element aufnehmbar. Dies hat besonders vorteilhaft zur Folge, dass die Bauteilgröße des Mehrkomponentensensors reduziert werden kann. Darüber hinaus führen die Ausnehmungen zu einer Reduzierung des Bauteilgewichts des Mehrkomponentensensors. Drehmomente können in dieser Anordnung besser übertragen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die einachsigen Kraftsensoren jeweils paarweise in einer V-förmigen Anordnung zwischen dem ersten ringförmigen Element und dem zweiten ringförmigen Element positionierbar. Aus der paarweise V-förmigen Anordnung der einachsigen Kraftsensoren ergibt sich, dass jeweils zwei Enden der einachsigen Kraftsensoren dicht beieinander liegen und zwei Enden der einachsigen Kraftsensoren weiter beabstandet voneinander angeordnet sind. Auf der Seite, an der die Enden der einachsigen Kraftsensoren eng beieinander liegen, können die einachsigen Kraftsensoren jeweils einen eigenen Befestigungspunkt oder einen gemeinsamen Befestigungspunkt aufweisen. Besonders bevorzugt zeigen die jeweils weiter beabstandeten Enden der einachsigen Kraftsensoren in Richtung des ersten ringförmigen Bauteils und die eng beieinander angeordneten Enden der einachsigen Kraftsensoren zeigen in Richtung des zweiten ringförmigen Bauteils. Jedoch ist auch eine umgekehrte oder eine beliebig kombinierbare Anordnung der paarweise V-förmig angeordneten einachsigen Kraftsensoren denkbar. Vorteilhaft kann hierdurch zumindest ein ringförmiges Element kleiner ausgeführt werden.
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In einer weiteren Form der Ausgestaltung sind die jeweils paarweise V-förmig angeordneten einachsigen Kraftsensoren in einem Winkel von 120° zueinander beabstandet entlang des ersten ringförmigen Elements und des zweiten ringförmigen Elements positionierbar. Diese Anordnung trägt vorteilhaft zu einer hohen Messgenauigkeit bei. Grundsätzlich sind jedoch auch von der gerade beschriebenen Anordnung abweichende Anordnungen und Positionierungen der paarweise V-förmig angeordneten einachsigen Kraftsensoren denkbar.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Mehrkomponentensensor jeweils drei axiale einachsige Kraftsensoren und drei tangentiale einachsige Kraftsensoren auf. Unter einem axialen einachsigen Kraftsensor ist ein Kraftsensor zu verstehen, welcher bevorzugt primär Kräfte in Längsrichtung aufnimmt. In einem Neutralzustand sind die drei axialen einachsigen Kraftsensoren in axialer Kraftrichtung positionierbar. Dies bedeutet, dass die Kraftrichtung der axialen einachsigen Kraftsensoren parallel zu einer Rotationsachse des ersten ringförmigen Elements und des zweiten ringförmigen Elements angeordnet ist. Unter einem Neutralzustand ist ein Zustand zu verstehen, in dem der Mehrkomponentensensor frei von Belastungen durch die Belastungseinheit ist. Dies hat zur Folge, dass das erste ringförmige Element und das zweite ringförmige Element koaxial zu einer gemeinsamen Rotationsachse angeordnet sind. Die drei tangentialen einachsigen Kraftsensoren sind bevorzugt in einer senkrecht zu der Rotationsachse angeordneten Ebene positionierbar. Die Befestigungspunkte der tangential einachsigen Kraftsensoren sind bevorzugt innerhalb des ersten ringförmigen Elements und innerhalb des zweiten ringförmigen Elements entlang jeweils einer konzentrisch um die Rotationsachse verlaufenden Linie angeordnet. Unter einem tangentialen einachsigen Kraftsensor ist ein Kraftsensor zu verstehen, welcher bevorzugt primär radiale Kräfte aufnimmt. Dies bedeutet, dass der tangentiale Kraftsensor bevorzugt Einwirkungen durch Drehmomente aufnimmt. Diese Anordnung zeichnet sich in besonderer Weise durch einen geringen Bauraumbedarf des Mehrkomponentensensors aus. Darüber hinaus eignet sich diese Anordnung besonders bei der Einleitung von hohen Drehmomenten, wie dies beispielsweise bei Windkraftanlagen der Fall ist. Besonders bevorzugt sind zwischen den axialen einachsigen Kraftsensoren bzw. den tangentialen einachsigen Kraftsensoren und den jeweiligen Befestigungspunkten an dem ersten ringförmigen Element und dem zweiten ringförmigen Element elastische Lenker angeordnet. Darüber hinaus sind beliebige Kombinationen in der Anordnung mit oder ohne elastische Lenker denkbar.
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In einer bevorzugten Form der Ausgestaltung sind die axialen einachsigen Kraftsensoren jeweils in einem Winkel von 120° zueinander beabstandet entlang des ersten ringförmigen Elements und des zweiten ringförmigen Elements positionierbar. Weiter bevorzugt sind die tangentialen einachsigen Kraftsensoren ebenfalls jeweils in einem Winkel von 120° zueinander beabstandet entlang des ersten ringförmigen Elements und des zweiten ringförmigen Elements positionierbar. Dabei weisen die axialen einachsigen Kraftsensoren und die tangentialen einachsigen Kraftsensoren einen Versatz von einem Winkel von 60° zueinander auf. Diese gleichmäßige Anordnung der axialen einachsigen Kraftsensoren und der tangentialen einachsigen Kraftsensoren trägt in besonders bevorzugter Weise zu einer hohen Messgenauigkeit des Mehrkomponentensensors bei. Der Versatz mit einem Winkel von 60° zwischen den axialen einachsigen Kraftsensoren und den tangentialen einachsigen Kraftsensoren führt vorteilhaft dazu, dass störende Messeinflüsse zwischen den axialen und den tangentialen einachsigen Kraftsensoren weitgehend verhindert werden. Diese Entkopplung möglicher Störeinflüsse trägt somit ebenfalls bevorzugt zu einer Erhöhung der Messgenauigkeit bei.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Messen von axialen Kräften, lateralen Kräften, Rotations- und/oder Biegemomenten mittels eines Mehrkomponentensensors vorgeschlagen. Dass Verfahren umfasst die Schritte der Ermittlung der auf die wenigstens zwei einachsigen Kraftsensoren einwirkenden Kräfte, der Signalübermittlung der einwirkenden Kräfte an eine Berechnungseinheit, der Transformation der einwirkenden Kräfte von einem rotierenden Koordinatensystem in ein ruhendes Koordinatensystem in Abhängigkeit von der Winkelposition des rotierenden Systems und der Umrechnung der axialen und lateralen Kräfte, sowie der Biege- und Drehmomente. Die Signalübermittlung erfolgt bevorzugt mittels digitaler Nahfeldtelemetrie, also berührungslos. Abweichend dazu ist jedoch auch eine Signalübermittlung, beispielsweise mittels Schleifkontakten möglich.
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Mit dem gerade beschriebenen Verfahren kann bevorzugt ein Abgleich von Parametern aus Feldversuchen oder Simulationen mit den eingestellten Prüfbedingungen vorgenommen werden. Darüber hinaus ist eine Messung direkt am Prüfling, d. h. ohne störende Einflüsse des Prüfstands oder der Prüfapparatur, beispielsweise durch Reibung in Hydraulikzylindern oder damit verbundenen Gelenken der Belastungseinheit, oder auch Massenträgheitskräften durch die Belastungseinheit, und somit direkt an der Stelle der Krafteinleitung in den Prüfling möglich. Auf diese Weise können bevorzugt während der Prüfung die tatsächlich auftretenden Kräfte und Momente an dem Prüfling überprüft und mit dem gewünschten Kollektiv abgeglichen werden. Bei einer Abweichung der gewünschten Parameter kann die Prüfapparatur bzw. der Prüfstand dahingehend angepasst werden, dass die gewünschten Belastungen auch tatsächlich eingeleitet werden. Einerseits eignet sich dieses Verfahren darüber hinaus für die Verifizierung von Prüfkollektiven, allerdings ist auch eine Erstellung eines Prüfkollektivs auf Grundlage von vorgegebenen Belastungen möglich. Neben einer Lasterprobung ist bevorzugt mit dem beschriebenen Verfahren auch eine Funktionsprüfung, beispielsweise in Form eines End-of-Line-Prüfstands (EOL-Prüfstand) realisierbar. Im Rahmen einer Lasterprobung erfolgt eine Beaufschlagung des Prüflings mit den im Feld zu erwartenden oder auftretenden Belastungen über eine definierte Lebensdauer. Im Gegensatz dazu erfolgt bei einer Funktionsprüfung lediglich eine Überprüfung der Funktionalitäten über einen kurzen Zeitraum. Abschließend ist auch die Verwendung des Mehrkomponentensensors zur Aufzeichnung eines Kollektivs an einer im Einsatz befindlichen Windkraftanlage denkbar. Hierfür wären an dem ersten ringförmigen Element anstatt der Belastungseinheit eine Rotornabe mit entsprechenden Rotorblattflanschen und damit verbundenen Rotorblättern anzubringen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine perspektivische Ansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentensensors, sowie einen Teil der Belastungseinheit und der Windkraftanlage;
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2: eine perspektivische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrkomponentensensors, sowie einen Teil der Belastungseinheit und der Windkraftanlage;
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3: eine perspektivische Ansicht eines einachsigen Kraftsensors mit zwei elastischen Lenkern;
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4: eine perspektivische Ansicht einer Prüfstandsanordnung unter Einbeziehung eines Mehrkomponentensensors gemäß 2.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine erste bevorzugte Ausführungsform des Mehrkomponentensensors 1. Dieser weist ein erstes ringförmiges Element 2 auf mit einer ersten Seite 3 auf. Auf der ersten Seite 3 des ersten ringförmigen Elements 2 ist das erste ringförmige Element 2 mit einer Belastungseinheit 4 verbunden. Über die Belastungseinheit 4 sind die Belastungen in das erste ringförmige Element 2 einleitbar. Die Belastungseinheit 4 verfügt weiter über verstellbare Zylinder 5. Auf einer zweiten Seite 6 des ersten ringförmigen Elements 2 ist ein zweites ringförmiges Element 7 positioniert. Die 1 zeigt den Mehrkomponentensensor 1 in einem neutralen Zustand. Dies bedeutet, dass durch die Belastungseinheit 4 keinerlei Belastungen in das erste ringförmige Element 2 eingeleitet werden und das erste ringförmige Element 2 und das zweite ringförmige Element 7 koaxial zu einer Rotationsachse 8 angeordnet sind. Die zweite Seite 6 des ersten ringförmigen Elements 2 ist in Bezug auf die Rotationsachse 8 der ersten Seite 3 des ersten ringförmigen Elements 2 gegenüberliegend angeordnet. Das zweite ringförmige Element 7 weist ebenfalls eine erste Seite 9 und eine zweite Seite 10 auf. Dabei zeigt die zweite Seite 10 des zweiten ringförmigen Elements 7 in die gleiche Richtung wie die erste Seite 3 des ersten ringförmigen Elements 2 und die erste Seite 9 des zweiten ringförmigen Elements 7 zeigt in die gleiche Richtung wie die zweite Seite 6 des ersten ringförmigen Elements 2. Auf der ersten Seite 9 des zweiten ringförmigen Elements 7 ist das zweite ringförmige Element 7 mit einer hier nicht gezeigten Rotorwelle einer Windkraftanlage 11 verbindbar. Das erste ringförmige Element 2 ist mittels einachsiger Kraftsensoren 12 mit dem zweiten ringförmigen Element 7 verbunden. Dabei befinden sich zwischen Befestigungspunkten 13 und den einachsigen Kraftsensoren 12 jeweils zwei elastische Lenker 14. Die elastischen Lenker 14 sind auf einer Seite jeweils mit den Befestigungspunkten 13 verschraubt und auf einer anderen Seite mit einem der einachsigen Kraftsensoren 12 verschraubt. Die einachsigen Kraftsensoren 12 sind jeweils paarweise in einer V-förmigen Anordnung positioniert. Dabei weist diese Anordnung jeweils eine Seite auf, an der die elastischen Lenker nahe beieinander liegen und eine Seite auf, an der die elastischen Lenker in der V-förmigen Anordnung weiter auseinander liegen. Die paarweise V-förmig angeordneten einachsigen Kraftsensoren 12 sind dabei so positioniert, dass die Seite, an der die elastischen Lenker 14 weit auseinander liegen dem ersten ringförmigen Element 2 zugeordnet sind und die Seite, auf der die elastischen Lenker 14 nah beieinander liegen dem zweiten ringförmigen Element 7 zugeordnet sind. Insgesamt weist der in 1 gezeigte Mehrkomponentensensor 1 sechs einachsige Kraftsensoren 12 auf, die jeweils paarweise in einer V-förmigen Anordnung radial umlaufend positioniert sind. Dabei sind die jeweils paarweise V-förmig angeordneten einachsigen Kraftsensoren 12 in einem Winkel von 120° zueinander beabstandet entlang des ersten ringförmigen Elements 2 und des zweiten ringförmigen Elements 7 positioniert. Das erste ringförmige Element 2 weist einen größeren Radius auf, als das zweite ringförmige Element 7. Das zweite ringförmige Element 7 weist eine zu der Rotationsachse 8 rotationssymmetrische Kontur mit zwei unterschiedlichen Radien auf. Dabei ist der Bereich mit einem geringeren Radius dem ersten ringförmigen Element 2 zugewandt, während ein Bereich mit einem größeren Radius dem ersten ringförmigen Element 2 abgewandt ist. Über die verstellbaren Zylinder 5 der Belastungseinheit 4 kann das erste ringförmige Element 2 so positioniert werden, dass die koaxiale Anordnung des ersten ringförmigen Elements 2 und des zweiten ringförmigen Elements 7 aufgehoben ist. Dabei kann es sich um lateralen Versatz senkrecht zu der Rotationsachse 8 handeln, aber auch eine Schiefstellung, wodurch das erste ringförmige Element 2 eine eigene Rotationsachse erfährt, welche mit einem Winkel zu der Rotationsachse 8 angeordnet ist. Neben einer Rotationsbewegung um die Rotationsachse 8 ist über die Belastungseinheit 4 eine in Richtung der Rotationsachse 8 axiale Belastung in das erste ringförmige Element 2 einleitbar.
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2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine weitere Ausführungsform des Mehrkomponentensensors 1. Dieser weist ein erstes ringförmiges Element 2 und ein zweites ringförmiges Element 7 auf. Das erste ringförmige Element 2 und das zweite ringförmige Element 7 sind dabei in einem Neutralzustand gezeigt und koaxial zu einer Rotationsachse 8 angeordnet. Auf einer ersten Seite 3 ist das erste ringförmige Element 2 mit einer Belastungseinheit 4 verbunden. Neben einer Rotationsbewegung sind mittels verstellbarer Zylinder 5 auch axiale Kräfte entlang der Rotationsachse 8 und laterale Kräfte senkrecht zu der Rotationsachse 8 über die Belastungseinheit 4 in das erste ringförmige Element 2 einleitbar. Das zweite ringförmige Element 7 ist auf einer, der ersten Seite 3 des ersten ringförmigen Elements 2 gegenüberliegenden zweiten Seiten 6 des ersten ringförmigen Elements 2 angeordnet. Das erste ringförmige Element 2 und das zweite ringförmige Element 7 weisen auf den jeweils einander zugewandten zweiten Seite 6, 10 partielle Ausnehmungen 22 auf, welche radial umlaufend entlang des ersten ringförmigen Elements 2 und des zweiten ringförmigen Elements 7 angeordnet sind. In den Ausnehmungen 22 befinden sich jeweils einachsige Kraftsensoren 12, welche beidseitig mit elastischen Lenkern 14 verbunden sind, und die elastischen Lenker 14 weiter an Befestigungspunkten 13 mit dem ersten ringförmigen Element 2 und dem zweiten ringförmigen Element 7 verbunden sind. Insgesamt weist der in 2 gezeigte Mehrkomponentensensor 1 sechs einachsige Kraftsensoren 12 und zwölf elastische Lenker 14 auf. Dabei sind jeweils drei einachsige Kraftsensoren 12 so angeordnet, dass sie im Neutralzustand bezüglich ihrer Wirkrichtung parallel zu der Rotationsachse 8 angeordnet sind. Darüber hinaus befinden sich jeweils drei einachsige Kraftsensoren 12 in einer tangentialen Anordnung. Unter einer tangentialen Anordnung ist zu verstehen, dass die tangential angeordneten einachsigen Kraftsensoren 12 in einer senkrecht zu der Rotationsachse 8 angeordneten Ebene positioniert sind. Die Befestigungspunkte 13 der tangential angeordneten einachsigen Kraftsensoren 12 bzw. der mit den tangential angeordneten einachsigen Kraftsensoren 12 verbundenen elastischen Lenker 14 sind innerhalb des ersten ringförmigen Elements 2 und innerhalb des zweiten ringförmigen Elements 7 entlang jeweils einer konzentrisch um die Rotationsachse 8 verlaufenden Linie angeordnet. Auf einer ersten Seite 9 des zweiten ringförmigen Elements 7 ist das zweite ringförmige Element 7 mit einem Adapterelement 15 verbunden. Dieses Adapterelement 15 ist weiter beispielsweise mit einer hier nicht gezeigten Rotorwelle oder einer Rotornabe einer Windkraftanlage 11 verbunden. Durch die Verwendung eines Adapterelements 15 ist der Mehrkomponentensensor 1 für Messungen an verschiedenen Windkraftanlagen 11 verwendbar. Je nach Windkraftanlage 11 ist lediglich eine Anpassung des Adapterelements 15 erforderlich, nicht jedoch des Mehrkomponentensensors 1. Die in 2 gezeigte Ausführungsform des Mehrkomponentensensors 1 zeichnet sich in besonderer Weise durch einen besonders geringen Bauraumbedarf aus. In der hier gezeigten Ausführungsform nehmen die axial angeordneten einachsigen Kraftsensoren 12 primär axiale Kräfte in Form von Zug- oder Schubkräften entlang der Rotationsachse 8 auf. Die tangential angeordneten einachsigen Kraftsensoren 12 nehmen hingegen primär Radialkräfte, das bedeutet Kräfte, die aus einem eingeleiteten Drehmoment resultieren, auf. Durch die Kombination der axial angeordneten einachsigen Kraftsensoren 12 und der tangential angeordneten einachsigen Kraftsensoren 12 sind darüber hinaus auch Schiefstellungen oder Biegemomente, die durch die Belastungseinheit 4 in Bezug auf die Rotationsachse 8 eingeleitet werden, messbar. Die elastischen Lenker 14 können entweder mittels Gelenken an den Befestigungspunkten 13 an dem ersten ringförmigen Element 2 oder dem zweiten ringförmigen Element 7 angebracht werden. Darüber hinaus ist jedoch auch eine Verschraubung der elastischen Lenker 14 mit dem ersten ringförmigen Element 2 oder dem zweiten ringförmigen Element 7 denkbar. Durch die Verwendung von beispielsweise Gelenken an den Befestigungspunkten 13 können Schiefstellungen der einachsigen Kraftsensoren 12 ausgeglichen werden. In 2 sind die elastischen Lenker 14 jedoch mittels Schraubverbindungen mit dem ersten ringförmigen Element 2 und dem zweiten ringförmigen Element 7 verbunden. Dies hat zur Folge, dass Schiefstellungen, welche durch Einwirkungen von Dreh- oder Biegemomenten hervorgerufen werden können, durch die elastischen Lenker 14 ausgeglichen werden. Auch ein axialer Versatz zu der Rotationsachse 8 zwischen dem ersten ringförmigen Element 2 und dem zweiten ringförmigen Element 7 wird in diesem Fall durch die elastischen Lenker 14 kompensiert.
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3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung den Aufbau eines einachsigen Kraftsensors 12 in Verbindung mit zwei elastischen Lenkern 14. Der einachsige Kraftsensor 12 ist dabei rotationssymmetrisch zu einer Längsachse 18 aufgebaut. Der einachsige Kraftsensor 12 verfügt dabei über zwei Flanschflächen 23, welche bezogen auf die Längsachse 18 gegenüberliegend angeordnet sind. Zwischen den beiden Flanschflächen 23 des einachsigen Kraftsensors 12 befindet sich ein zylindrischer Bereich, welcher einen kleineren Durchmesser aufweist, als der Durchmesser der Flanschflächen 23. An den Flanschflächen 23 ist der einachsige Kraftsensor 12 jeweils mit einem elastischen Lenker 14 verbunden. Dabei wird mittels Schrauben 16 eine lösbare Verbindung zwischen dem einachsigen Kraftsensor 12 und den elastischen Lenkern 14 hergestellt. Die elastischen Lenker 14 weisen ebenfalls jeweils zwei Flanschflächen 24, 25, also eine erste Flanschfläche 24 und eine zweite Flanschfläche 25 auf. Die erste Flanschfläche 24 und die zweite Flanschfläche 25 der elastischen Lenker 14 sind dabei bezogen auf die Längsachse 18 jeweils gegenüberliegend angeordnet. Dabei sind die elastischen Lenker 14 jeweils mit der ersten Flanschfläche 24 mit einer der beiden Flanschflächen 23 eines einachsigen Kraftsensors 12 verbunden. Mit der zweiten Flanschfläche 25 sind die elastischen Lenker 14 jeweils mit den in 1 und 2 beschriebenen Befestigungspunkten 13 oder direkt mit dem ersten ringförmigen Element 2 und dem zweiten ringförmigen Element 7 verbunden. Die zweiten Flanschflächen 25 weisen dabei Bohrungen 17 auf, welche radial umlaufend entlang der zweiten Flanschflächen 25 angeordnet sind. Dies ermöglicht, dass die elastischen Lenker mittels beispielsweise Schraubverbindungen lösbar mit den Befestigungspunkten 13 oder direkt lösbar mit dem ersten ringförmigen Element 2 oder dem zweiten ringförmigen Element 7 verbunden werden können. Zwischen der ersten Flanschfläche 24 und der zweiten Flanschfläche 25 weist jeder elastische Lenker einen kreuzförmigen Steg 19 auf. Ein Kreuz weist dabei zwei Schenkel auf, deren Mittellinien sich in einem gemeinsamen Punkt schneiden und in einem 90° Winkel zueinander angeordnet sind. Ein erster Steg 26 verbindet den kreuzförmigen Steg 19 mit der zweiten Flanschfläche 25, während ein zweiter Steg 27 den kreuzförmigen Steg 19 mit der ersten Flanschfläche 24 verbindet. Der erste Steg 26 und der zweite Steg 27 sind dabei jeweils für sich achssymmetrisch zu der Längsachse 18 angeordnet und stehen in einem Winkel von 90° zueinander. Zwischen dem kreuzförmigen Steg 19 und der zweiten Flanschfläche 25 weist der erste Steg 26 bezüglich seiner Kontur eine Verjüngung 20 auf. Diese dient dazu, die Flexibilität des elastischen Lenkers 14 bezüglich quer einwirkender Kräfte zu erhöhen. Der zweite Steg 27 weist bezüglich seiner Kontur eine zweite Verjüngung 21 auf. Auch diese dient dazu, die Flexibilität des elastischen Lenkers 14 bezüglich quer einwirkender Kräfte und Belastungen zu erhöhen. Die erste Verjüngung 20 und die zweite Verjüngung 21 sind dabei in einem Winkel von 90° bezogen auf die Längsachse 18 zueinander angeordnet. Durch die Kombination des kreuzförmigen Stegs 19, des ersten Stegs 26 mit der ersten Verjüngung 20 und dem zweiten Steg 27 mit der zweiten Verjüngung 21 wird eine elastische Verformbarkeit bewirkt, um störende Einflüsse durch quer einwirkende Kräfte auf den einachsigen Kraftsensor 12 zu reduzieren bzw. zu eliminieren. Die primäre Wirkrichtung des einachsigen Kraftsensors 12 verläuft entlang der Längsachse 18.
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4 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Prüfstand für Windkraftanlagen unter Verwendung eines Mehrkomponentensensors 1, wie er in 2 beschrieben ist. Über eine Belastungseinheit 4 sind unter Zuhilfenahme von verstellbaren Zylindern 5 Drehmomente und Biegemomente, sowie axiale und laterale Kräfte in den Mehrkomponentensensor 1 einbringbar. Der Mehrkomponentensensor 1 weist ein erstes ringförmiges Element 2 auf, welches auf einer ersten Seite 3 mit der Belastungseinheit 4 verbunden ist. Ein zweites ringförmiges Element 7 ist auf einer ersten Seite 9 mit einem Adapterelement 15 verbunden, wobei das Adapterelement 15 weiter mit einer hier nicht gezeigten Rotorwelle oder einer Rotornabe einer Windkraftanlage 11 verbunden ist. 4 zeigt die Anordnung in einem Neutralzustand, das bedeutet, dass das erste ringförmige Element 2 und das zweite ringförmige Element 7 koaxial zu einer Rotationsachse 8 angeordnet sind. Der Mehrkomponentensensor 1 weist insgesamt sechs einachsige Kraftsensoren 12 auf. Dabei sind jeweils drei einachsige Kraftsensoren 12 axial angeordnet, dass bedeutet radial umlaufend entlang des ersten ringförmigen Elements 2 und des zweiten ringförmigen Elements 7 verteilt und parallel zu der Rotationsachse 8 positioniert. Darüber hinaus sind drei einachsige Kraftsensoren 12 tangential angeordnet, wie in 2 beschrieben. Die einachsigen Kraftsensoren 12 sind dabei jeweils mit zwei elastischen Lenkern 14 verbunden, wie sie in 3 ausführlich beschrieben wurden. Das erste ringförmige Element 2 und das zweite ringförmige Element 7 weisen radial umlaufend partielle Ausnehmungen 22 auf, in welchen die einachsigen Kraftsensoren 12 inklusive der elastischen Lenker 14 jeweils eingebracht sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mehrkomponentensensor
- 2
- erstes ringförmiges Element
- 3
- erste Seites erstes ringförmiges Element
- 4
- Belastungseinheit
- 5
- verstellbarer Zylinder
- 6
- zweite Seite erstes ringförmiges Element
- 7
- zweites ringförmiges Element
- 8
- Rotationsachse
- 9
- erste Seite zweites ringförmiges Element
- 10
- zweite Seite zweites ringförmiges Element
- 11
- Windkraftanlage
- 12
- einachsiger Kraftsensor
- 13
- Befestigungspunkt
- 14
- elastischer Lenker
- 15
- Adapterelement
- 16
- Schraube
- 17
- Bohrung
- 18
- Längsachse einachsiger Kraftsensor
- 19
- kreuzförmiger Steg
- 20
- erste Verjüngung
- 21
- zweite Verjüngung
- 22
- Ausnehmung
- 23
- Flanschfläche einachsiger Kraftsensor
- 24
- erste Flanschfläche elastischer Lenker
- 25
- zweite Flanschfläche elastischer Lenker
- 26
- erster Steg
- 27
- zweiter Steg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0575634 [0003]
- US 4735103 [0004]
