DE102017207785A1

DE102017207785A1 - Inertialmassenaktor

Info

Publication number: DE102017207785A1
Application number: DE102017207785.9A
Authority: DE
Inventors: Roman Kraus; Tobias Melz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2018-11-15

Abstract

Beschrieben wird ein Inertialmassenaktor mit einer Primär- und einer Sekundärseite, bei dem die Sekundärseite eine gegenüber der Primärseite schwingend gelagerte Inertialmasse sowie die Primärseite wenigstens einen Teil eines Kraftgenerators umfasst, der mit der Inertialmasse in Wirkverbindung steht und eine Kraft zwischen Primär- und Sekundärseite ausübt.
Der lösungsgemäße Inertialmassenaktor zeichnet sich dadurch aus, dass die Inertialmasse einen elektrischen Energiespeicher umfasst, der über wenigstens ein Koppelmittel schwingend gegenüber der Primärseite gelagert ist. Ferner verbindet das wenigstens eine Koppelmittel und/oder wenigstens ein elektrischer Leiter, der eine formbedingte Achse besitzt, längs der oder um die der elektrische Leiter elastisch verformbar ist den elektrischen Energiespeicher mit der Primärseite elektrisch.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Inertialmassenaktor mit einer Primär- und einer Sekundärseite, bei dem die Sekundärseite eine gegenüber der Primärseite schwingend gelagerte Inertialmasse und die Primärseite wenigstens einen Teil eines Kraftgenerators aufweisen, der mit der Inertialmasse in Wirkverbindung steht und eine Kraft zwischen Primär- und Sekundärseite ausübt.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Inertialmassenaktoren dienen zur kontrollierten Erzeugung von Prozesskräften, die vermittels mechanischer Einkopplung in Strukturen je nach Einsatzzweck zur Schwingungsanregung oder Schwingungsminderung führen.
Typische Inertialmassenaktoren sind nach Art eines mechanischen Feder-Massen-Systems aufgebaut, mit einer bidirektional auslenkbaren Inertialmasse, die zur Schwingungsanregung mit einem Kraftgenerator, vorzugsweise in Form eines elektrodynamischen oder piezoelektrischen Aktors in Wirkverbindung steht. Zumeist sind die Ausführungsformen so gewählt, dass die Inertialmasse längs einer Raumachse bidirektional auslenkbar ist, auch Ausführungsformen mit rotatorisch um eine Raumachse auslenkbarer Inertialmasse sind bekannt.
Zur Begriffsfestlegung werden die schwingend gelagerte Inertialmasse sowie sämtliche mit dieser in Form eines schwingenden Gesamtsystems verbundenen Komponenten als Sekundärseite bezeichnet, wohingegen eine zur Aufnahme bzw. Abstützung der von Seiten der schwingenden Sekundärseite verursachten Reaktionskräfte dienende und die Sekundärseite schwingend lagernde Stützstruktur als Primärseite bezeichnet wird. Die Primärseite eines Inertialmassenaktors verfügt über eine mechanische Schnittstelle zur Anbringung an eine Struktur, in die es gilt die vermittels des Inertialmassenaktors erzeugten Prozesskräfte einzuleiten.
Eine besonders hervorzuhebende Eigenschaft besteht in der Möglichkeit Inertialmassenaktoren als portable und autonom arbeitende Baueinheiten auszubilden, die eine freie Platzierung und Anbringung an beliebige Strukturen zu deren Schwingungskontrolle gestatten.
Aus der Druckschrift DE 10 2008 016 959 A1 ist eine mobile Bewegungsvorrichtung für einen Kinderwagen zu entnehmen, die als portable Einheit beispielsweise im Bereich des Handgriffes des Kinderwagens befestigt werden kann. Die Bewegungsvorrichtung stellt einen Inertialmassenaktor dar, der als Inertialmasse einen magnetisierten Ankerkern umfasst, der bidirektional auslenkbar gelagert ist. Zum Zwecke einer schwingenden Auslenkung des Ankerkerns ist primärseitig eine elektrische Spulenanordnung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes angebracht. Ferner sind zur Unterstützung der Schwingungsbewegung jeweils axial endseitig am magnetisierten Ankerkern Federelemente angeordnet, die die schwingende Bewegung des Ankerkerns um die Ruhelage begünstigen. Sowohl die Federelemente als auch die elektrische Spulenanordnung stützen sich an einem primärseitigen Rohr ab, innerhalb dem der sekundärseitige magnetisierte Ankerkern schwingend gelagert ist. Gemeinsam mit einem zusätzlichen elektrischen Energiespeicher sowie einer Steuerelektronik ist der Inertialmassenaktor innerhalb eines portablen Gehäuses untergebracht, das über eine Befestigungseinheit am Griff eines Kinderwagens zu dessen Schwingungsanregung lösbar fest verbunden werden kann.
Einen ähnlichen Aufbau weist ein in der Druckschrift WO 2010/000316 A1 beschriebener elektromotorischer Lineargenerator auf, bei dem innerhalb einer primärseitigen Hülse eine Permanentmagnetanordnung bidirektional auslenkbar gelagert ist. An den Hülsenenden sind primärseitig fest Permanentmagnete angebracht, die jeweils eine abstoßende Magnetkraft auf die bidirektional auslenkbar gelagerte Permanentmagnetanordnung ausüben. Zudem ist mittig zwischen beiden Hülsenenden primärseitig eine elektrische Spulenanordnung angeordnet, durch die die bidirektional auslenkbare Permanentmagnetanordnung in Schwingungen versetzt wird.
Ein vibrierender Aktor ist in der Druckschrift DE 10 2015 111 527 A1 beschrieben, der ein Paar Permanentmagnete umfasst, die mit gleichnamiger magnetischer Polung einander zugewandt, nebeneinander fest angeordnet sind und ein Permanentmagnetfeld erzeugen. Die Permanentmagnete sind von einem Gehäuse umfasst, das relativ zu den Permanentmagneten bidirektional auslenkbar gelagert ist. Um das Gehäuse ist eine elektrische Spulenanordnung gewickelt, die im Betrieb ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, durch dessen Wechselwirkung mit dem Permanentmagnetfeld auf das Gehäuse bidirektional auslenkende Kräfte wirken.
Gattungsgemäße Inertialmassenaktoren benötigen eine möglichst große Inertialmasse, um effektive Prozesskräfte auf die Primärseite und einer mit dieser verbundenen Struktur ausüben zu können. Insbesondere bei portablen Inertialmassenaktoren, wie vorstehend erläutert, besteht jedoch der Wunsch nach einer möglichst geringen Masse des Gesamtsystems, um die Handhabbarkeit und Einsatzfähigkeit an einer möglichst großen Vielzahl unterschiedlichster Einsatzorte zu gewährleisten. Es gilt daher nach einem Kompromiss zu suchen, zwischen einer ausreichend großen Krafteinleitung vermittels des Inertialmassenaktors und einer möglichst geringen Gesamtmasse desselben.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Inertialmassenaktor mit einer Primär- und Sekundärseite, bei dem die Sekundärseite eine gegenüber der Primärseite schwingend gelagerte Inertialmasse und die Primärseite wenigstens einen Teil eines Kraftgenerators umfasst, der mit der Inertialmasse in Wirkverbindung steht und eine Kraft zwischen Primär- und Sekundärseite ausübt, derart weiterzubilden, so dass das Verhältnis aus erzielbarem Krafteintrag und Gesamtmasse des Inertialmassenaktors signifikant zugunsten des Krafteintrages gesteigert werden soll. Hierdurch soll die konsumentenspezifische Akzeptanz von autark arbeitenden Inertialmassenaktoren gesteigert und deren Einsatzmöglichkeiten vervielfältigt werden.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Erläuterung der Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Autark arbeitende Inertialmassenaktoren verfügen systembedingt über wenigstens einen elektrischen Energiespeicher in Form eines Akkus, einer Batterie oder eines Kondensatorsystems. Elektrische Energiespeicher stellen relativ schwere Komponenten dar, die jedoch in den bis anhin bekannten gattungsgemäßen Inertialmassenaktoren ohne weitere Funktion in Art bloßer Zusatzkomponenten angeordnet sind. Die lösungsgemäße Idee nutzt die Masse des elektrischen Energiespeichers als schwingende Inertialmasse oder als eine der schwingenden Inertialmasse zuzurechnenden Zusatzmasse. Das gelingt indem der Energiespeicher fest an der vorhandenen Inertialmasse fixiert wird oder diese komplett ersetzt. Durch diese Maßnahme werden einerseits der erforderliche Bauraum, insbesondere aber auch die Masse des Gesamtsystems signifikant reduziert, da ein Teil der ohnehin erforderlichen Inertialmasse durch den ohnehin erforderlichen elektrischen Energiespeicher substituiert oder zumindest ergänzt wird.
Als Konsequenz der lösungsgemäßen Nutzung des elektrischen Energiespeichers zumindest als Teil der sekundärseitig, schwingend gelagerten Inertialmasse bedarf es der elektrischen Energieversorgung und eine damit verbundene Übertragung elektrischer Energie zwischen dem sekundärseitigen elektrischen Energiespeicher und wenigstens dem primärseitig angebrachten Teil des Kraftgenerators, unter der Maßgabe, dass die elektrische Energieübertragung weder die Schwingungsdynamik der sekundärseitigen Inertialmasse nachhaltig beeinträchtigt, noch dass die zur Energieübertragung erforderlichen Mittel einer schwingungsbedingten funktions- und materialspezifischen Degradation unterliegen. Auch soll vermieden werden, dass die zur Energieübertragung erforderlichen Mittel durch unkontrollierten primär- oder sekundärseitigen Kontakt unerwünschte Schallabstrahlungen hervorrufen. Das kann gelingen, indem die zur Energieübertragung erforderlichen Mittel während der bidirektionalen oder einer jeweils entgegengesetzt rotatorischen Auslenkung der Inertialmasse eine kontrollierte elastische Verformung durchführen, wobei die Kontrolle der Verformung während der bidirektionalen bzw. rotatorischen Auslenkung der Inertialmasse durch die Form und Gestalt der Mittel selbst definiert wird.
Somit zeichnet sich der lösungsgemäße Inertialmassenaktor nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass zum einen die Inertialmasse einen elektrischen Energiespeicher umfasst, der über wenigstens ein Koppelmittel schwingend gegenüber der Primärseite gelagert ist, wobei das wenigstens eine Koppelmittel und/oder wenigstens ein elektrischer Leiter den elektrischen Energiespeicher mit der Primärseite elektrisch verbindet. Der elektrische Leiter verfügt hierzu über eine Form mit einer durch die Form vorgegebene Achse, längs der oder um die der elektrische Leiter elastisch verformbar ist. Die elastische Verformbarkeit kann ohne nennenswerten Krafteintrag erfolgen, um das sekundärseitige Schwingungsverhalten nicht oder nicht nennenswert zu beeinträchtigen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die sekundärseitige Inertialmasse gegenüber der Primärseite über wenigstens ein als Federelement ausgebildetes Koppelmittel schwingend gelagert, über das zugleich die elektrische Energieversorgung zwischen dem sekundärseitigen elektrischen Energiespeicher und der Primärseite erfolgt. Die synergetische Nutzung des wenigstens einen Federelementes zum Zwecke einer schwingenden Lagerung der Inertialmasse sowie auch zur elektrischen Verbindung des elektrischen Energiespeichers mit der Primärseite vermeidet jeglichen Verschleiß, der bei einer gesonderten bzw. separaten Kontaktierung des elektrischen Energiespeichers mit einer ansonsten konventionell ausgebildeten Kabelverbindung zwischen Primärseite und schwingender Sekundärseite auftreten würde. Das Federelement hingegen, das vorzugsweise die Form gängiger Federgeometrien besitzt, bspw. die Form einer Spiral-, Schrauben-, Torsions-, Membran-, Wellen-, Zickzack- oder Blattfeder hat, führt materialverschleißfreie, elastische durch die Federgeometrie vorgegebene und federfunktionskonforme elastische Formänderungen aus, die keinem oder keinem nennenswerten Verschleiß unterliegen und die aufgrund ihrer inhärenten Elastizität eine kontrollierte Verformungsbewegung vollziehen. Das wenigstens eine Federelement besteht zum Zwecke der elektrischen Energieübertragung vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Berylliumkupfer, Messing oder Federbronze. Die genannten metallischen Werkstoffe zeichnen sich neben ihren sehr guten Federeigenschaften und elektrischen Leitfähigkeiten dadurch aus nicht ferromagnetisch zu sein.
Alternativ ist es gleichsam denkbar, das wenigstens eine Federelement aus einem nicht elektrisch leitenden Werkstoff, beispielsweise aus einem elastisch verformbaren Kunststoffmaterial zu fertigen, in das zum Zwecke der elektrischen Energieübertragung wenigstens ein der Federform des Federelementes folgender elektrischer Leiter oder mehrerer entsprechende elektrische Leiter eingebettet ist bzw. sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Inertialmassenaktors ist die schwingend gelagerte, den elektrischen Energiespeicher umfassende Sekundärseite anstelle über wenigstens ein Federelement oder vorzugsweise über zwei Federelemente, über eine magnetische Lagerung schwingend gegenüber der Primärseite gelagert. Magnetische Lagerungen sind dem Fachmann bekannt. Ein diesbezügliches Beispiel ist der eingangs gewürdigten Druckschrift WO 2010/000316 A1 zu entnehmen.
Bspw. im Falle einer magnetischen Lagerung wird die elektrische Verbindung des elektrischen Energiespeichers mit der Primärseite durch einen speziell geformten elektrischen Leiter realisiert, der über eine Leiterform verfügt, dem eine formbedingte Achse zugeordnet ist, längs der der elektrische Leiter elastisch verformbar, d.h. streck- und stauchbar ist, ohne dabei einem Verschleiß zu unterliegen. Im Falle bspw. eines helikal oder schraubenförmig geformten elektrischen Leiters, entspräche diese formbedingte Achse der Helikal- oder Schraubenachse, längs der der Leiter schadlos komprimierbar sowie auch streckbar wäre. Selbstverständlich sind andere Leiterformen denkbar, bspw. Wellen-, Zickzack-, Spiral-, Blatt- oder Membranfedern. Vorzugsweise trägt in diesen Fällen der elektrische Leiter keinen oder einen vernachlässigbar geringen Beitrag zu den magnetkraftbasierten Lagerkräften bei, die die Schwingungsdynamik der den elektrischen Energiespeicher umfassenden Inertialmasse bestimmen. Vorzugsweise ist in diesen Fällen der entsprechend geformte elektrische Leiter derart angeordnet, so dass die ihm zu eigene formbedingte Achse parallel oder koaxial zur Raumachse ausgerichtet ist, längs der die oszillierende bidirektionale oder jeweils entgegengesetzt rotatorische Auslenkung der den elektrischen Energiespeicher umfassenden Inertialmasse erfolgt.
Denkbar ist auch eine Ausführungsform, bei der die von Seiten der magnetischen Lagerung der Sekundärseite herrührenden, auf die Sekundärseite bidirektional oder rotatorisch einwirkenden Stell- bzw. Auslenkkräfte auch durch Federkräfte des wenigstens einen elastisch verformbaren elektrischen Leiters unterstützt werden können. In diesem Fall ist der wenigstens eine elektrische Leiter durch eine geeignete Material- und Formwahl entsprechend zu dimensionieren.
Durch die lösungsgemäße elektrische Kontaktierung des schwingend gelagerten, sekundärseitigen elektrischen Energiespeichers mit der Primärseite eröffnet sich nicht nur die Möglichkeit der elektrischen Energieversorgung eines primärseitig angebrachten Teils des Kraftgenerators, beispielsweise in Form einer elektrischen Spule oder Spulenanordnung, wie der der weiteren Beschreibung im Einzelnen noch zu entnehmen ist, zudem können auch weitere für die Funktion des Inertialmassenaktors bedeutsame Peripheriekomponenten primärseitig angebracht und von dem sekundärseitigen elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt werden.
Vorzugsweise ist die Primärseite als starre Gehäusestruktur ausgebildet, die die schwingend gelagerte Sekundärseite teilweise umschließt oder vollständig umkapselt. Somit bietet es sich an, dass die vorstehend genannten Peripheriekomponenten in das Gehäuse zu integrieren oder an das Gehäuse entsprechend anzubringen. Als Peripheriekomponenten bieten sich in Abhängigkeit von technischer Ausstattung und Anwendung des Inertialmassenaktors folgende Komponenten an: Visuell und/oder akustisch wahrnehmbare Anzeigeelemente, bspw. in Form von LEDs, Lautsprecher; Steuerelektronik; Sensoren; elektrische Kontakteinheiten, beispielsweise in Form von Stecker oder Buchsen zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers und/oder zur Signalübertragung an oder von den primärseitig angebrachten Peripheriekomponenten. Durch die primärseitige Anbringung der Peripheriekomponenten unterliegen diese nicht den sekundärseitigen schwingungsdynamischen Beschleunigungskräften und ermöglichen darüber hinaus einen unmittelbaren Zugriff über das primärseitige Gehäuse von außen, wodurch die Bedienfreundlichkeit verbessert wird.
Um die innerhalb eines auf elektromagnetischen oder elektrodynamischen Kräften beruhenden Kraftgenerators auftretenden Kräfte zu optimieren, gilt es die Länge der freien magnetischen Feldlinien möglichst klein zu halten. Daher bietet es sich an das Gehäuse teilweise oder vollständig aus einem ferromagnetischen Werkstoff auszuführen.
Die nachfolgenden Ausführungen betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen das lösungsgemäße Inertialmassenaktor-Konzept umgesetzt ist und die jeweils in Art eines elektromotorischen Lineargenerators aufgebaut sind, mit wenigstens einer sekundärseitig schwingend gelagerten Magneteinheit, die einen elektrischen Energiespeicher beinhaltet und wenigstens einer primärseitig angeordneten elektrischen Spulenanordnung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

1 bis 7 Diverse Ausbildungsformen für einen lösungsgemäß ausgebildeten Inertialmassenaktor mit einer wenigstens eine Magnetanordnung sowie einen elektrischen Energiespeicher umfassenden, schwingend gelagerten Sekundärseite und einer wenigstens eine elektrische Spulenanordnung aufweisenden Primärseite, sowie
8 Ausführungsform mit einer um eine Drehachse rotatorisch gelagerten Sekundärseite.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1 zeigt einen schematisierten Längsschnitt durch einen lösungsgemäß ausgebildeten Inertialmassenaktor 1, mit einer schwingend, längs einer Raumachse 4 bidirektional auslenkbar angeordneten Sekundärseite 5, die schraffiert markiert ist. Die Sekundärseite 5 ist über zwei Federelemente 21, 22, in Form zweier Schraubenfedern, mit der Primärseite 3 verbunden.
Die Sekundärseite 5 umfasst einen längs der Raumachse 4 mittig zwischen zwei Permanentmagneten 61, 62 angeordneten elektrischen Energiespeicher 7, vorzugsweise in Form eines Akkus, einer Batterie oder einer Kondensatoranordnung. Die Permanentmagnete 61, 62 sind starr mit dem elektrischen Energiespeicher 7 verbunden und verfügen über eine spiegelbildlich zum mittig angeordneten elektrischen Energiespeicher 7 ausgerichtete Magnetpolung S, N.
Die Sekundärseite 5 ist stabförmig ausgebildet und verfügt über einen runden oder von der Kreisform abweichenden, nicht notwendigerweise über die gesamte axiale Erstreckung gleichbleibenden Querschnitt. Die jeweils axial endseitig mit der Sekundärseite 5 verbundenen Federelemente 21, 22 stützen sich mit ihrem der Sekundärseite 5 gegenüberliegenden Federende jeweils an der Primärseite 1 ab, die in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ein die Sekundärseite 5 vollständig umfassendes Gehäuse 8 aufweist. In dem Gehäuse 8 ist eine elektrische Spuleneinheit 9 integriert. Zur Strom- bzw. elektrischen Energieversorgung der Spuleneinheit 9 sind die Federelemente 21, 22 aus jeweils elektrisch leitendem Material, vorzugsweise aus Berylliumkupfer, Messing oder Federbronze gefertigt und stellen somit neben ihrer Federfunktion einen elektrischen Leiter dar. Ebenfalls im Gehäuse 8 sind so genannte Peripheriekomponenten 10 integriert, die die Funktionsweise des Inertialmassenaktors 1 sowie dessen Bedienung von außen sicherstellen. So bedarf es bspw. im Rahmen der Peripheriekomponenten einer Steuerelektronik zur funktionsgerechten elektrischen Stromversorgung der elektrischen Spuleneinheit 9. Ferner umfassen die Peripheriekomponenten vorzugsweise manuelle Bedienelemente zur Aktivierung, Regelung und Deaktivierung des Inertialmassenaktors, Anzeigemittel, beispielsweise in Form von Leuchtmitteln oder Lautsprecher, sowie elektrische Steckerbuchsen für eine externe elektrische Energie- und Signaleinspeisung.
In Abhängigkeit der Stromflussrichtung des die elektrische Spuleneinheit 9 durchsetzenden elektrischen Stromes und des hierdurch erzeugten Spulenmagnetfeldes wird die Sekundärseite 5 aufgrund des durch die Dauermagnetanordnung 61, 62 eingeprägten Permanentfeldes aus der Spulenanordnung 9 längs der Raumachse 4 gemäß Bilddarstellung in 1 nach links oder rechts verdrängt. Ein an die elektrische Spuleneinheit 9 angelegter Wechselstrom führt somit zu einem hin und her Schwingen der Sekundärseite 5 längs der Raumachse 4 relativ zur stationären Primärseite. Die sekundärseitig angeordneten Permanentmagnete 61, 62 und die primärseitig angeordnete elektrische Spuleneinheit 9 bilden den Kraftgenerator des Inertialmassenaktors 1. Zum Zwecke einer guten Führung der magnetischen Feldlinien innerhalb des Kraftgenerators, d.h. zwischen der Spuleneinheit 9 und den sekundärseitig angebrachten Permantenmagneten 61, 62, ist das Gehäuse 8 aus einem ferromagnetischen Material gefertigt. Das gilt ebenso für die folgenden Ausführungen gleichermaßen.
Durch die Geometrie des Gehäuses 8 und der Sekundärseite 5 sowie der Dimensionierung der Federelemente 21, 22 wird ein maximaler Stellweg 13 für die schwingende Sekundärseite 5 aus ihrer mittigen Ruhelage definiert, der je nach Einsatzzeck mehrere Zentimeter betragen kann. In Abhängigkeit der vermittels der Steuerelektronik vorgebbaren Wechselfrequenz, mit der die elektrische Spulenanordnung 9 mit Wechselstrom beaufschlagt wird liegen die Schwingungsfrequenzen bei derart großen Schwingbewegungen typischerweise in einem Frequenzbereich von deutlich unter 100 Hz. Die Nutzung dieser Anordnung für höhere Frequenzen, bei denen die Schwingungsamplitude der Sekundärseite meist im Millimeter- oder Submillimeterbereich liegt, insbesondere zur Erzeugung akustisch wahrnehmbarer Schwingungen, ist dabei nicht ausgeschlossen.
Die Kraftwirkung des Kraftgenerators auf die Sekundärseite 5 bewirkt eine gleichartige Kraftwirkung auf die Primärseite 3, wobei die Richtung der Kraft auf die Primärseite 3 gegensätzlich zur Richtung der Kraft auf die Sekundärseite 5 ist. Die Beschleunigung der Sekundärseite 5 führt demnach schon bei geringen Schwingungsamplituden der Inertialmasse zu einer Beschleunigung der Primärseite 3 und einer an die Primärseite 3 angrenzenden und mit dieser verbundenen Struktur. Zusätzlich dazu wird die Schwingungsamplitude längs der Raumachse 4 durch einen endseitigen Anschlag zwischen der Sekundär- und Primärseite begrenzt, sodass insbesondere bei großen Schwingungsamplituden bei jeder Bewegungsumkehr der schwingenden Sekundärseite 5, ein längs der Raumrichtung 4 wirkender Impulsübertrag von der Sekundärseite 5 auf die Primärseite 3 erfolgt, die diesen auf eine nicht weiter dargestellte, an die Primärseite 3 gekoppelte Struktur überträgt.
Der lösungsgemäße Inertialmassenaktor 1 optimiert das Verhältnis zwischen den mit dem Inertialmassenaktor 1 erzeugbaren Prozesskräften und der Gesamtmasse des Inertialmassenaktors 1. Vorzugsweise stellt der Massenanteil der Sekundärseite 5 durch die lösungsgemäße Einbindung des elektrischen Energiespeichers 7 wenigstens ein Drittel der Gesamtmasse des Inertialmassenaktors 1 dar. Durch geeignete Wahl an leichtgewichtigen Baumaterialien zur Realisierung des Gehäuses 8, beispielsweise in Form von Leichtmetall oder Kunststoff, vorzugsweise von faserverstärkten Kunststoffmaterial, kann der Massenanteil der Sekundärseite 5 bezogen auf die Gesamtmasse des Inertialmassenaktors 50% und mehr betragen.
Zudem ist die elektrische Energieversorgung der primärseitig angebrachten Spuleneinheit 9 nicht verschleißbehaftet, zumal die als elektrische Leiter ausgebildeten Federelemente 21, 22 in Form von Schraubenfedern ausschließlich längs der Raumachse 4 federelastische Formänderungen im Wege von Stauchungen und Dehnungen ausführen. Anstelle der in 1 illustrierten Schraubenfedern ist der Einsatz alternativer Federtypen wie beispielsweise Torsions-, Membran-, Blatt- oder Spiralfedern denkbar.
In den weiteren illustrierten Ausführungsbeispielen werden die gleichen Bezugszeichen zu funktionsgleichen Komponenten verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden wird auf die vorstehende Beschreibung oder die nachfolgende Bezugszeichenliste verwiesen.
In 2 ist eine Variante eines Inertialmassenaktors 1 gezeigt, mit zwei räumlich getrennten elektrischen Spuleneinheiten 91, 92, die jeweils axial endseitig beabstandet zueinander innerhalb des Gehäuses 8 mit jeweils entgegengesetzt stromdurchflossenen elektrischen Leitern angeordnet sind. Sekundärseitig ist der elektrische Energiespeicher 7 koaxial zur Raumachse 4 von einem ringförmigen Permanentmagneten 61* umfasst. Die elektrisch leitenden Federelemente 21, 22 sind jeweils unmittelbar mit dem elektrischen Energiespeicher 7 verbunden. Nicht weiter dargestellte primärseitig angebrachte Gleit- oder Rolllager innerhalb des Gehäuses 8 sorgen für eine weitgehend reibungsfreie, schwingende Lagerung der aus dem Permanentmagneten 61* und dem elektrischen Energiespeicher 7 bestehenden Sekundärseite 5. Die magnetische Polarität des Permanentmagneten 61* ist bezogen zur Raumachse 4 dabei derart gewählt, so dass durch eine jeweils entgegengesetzt orientierte Stromflussrichtung in den beiden jeweils endseitig innerhalb des Gehäuses 8 angeordneten elektrischen Spulenanordnungen 91, 92 eine kontrollierte Auslenkung der sekundärseitigen Inertialmasse längs der Raumachse 4 erfolgt. Eine innerhalb der Peripheriekomponenten 10 enthaltende Steuerelektronik sorgt für eine entsprechend alternierende Bestromung der elektrischen Spulenanordnungen 91, 92.
Das in 3 illustrierte Ausführungsbeispiel weist eine mit dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel vergleichbare bzw. identische Primärseite 3 auf, unterscheidet sich jedoch in der Ausbildung der Sekundärseite 5. So sind längs eines stabförmig ausgebildeten Energiespeichers 7 jeweils längs der Raumachse 4 axial beabstandete ringförmige Permanentmagnete 61*, 62* angeordnet mit jeweils, bezogen zu einer orthogonal zur Raumachse 4 orientierten Symmetrieachse 11 spiegelbildlich ausgebildeten Magnetpolung.
Das in 4 illustrierte Ausführungsbeispiel ist vergleichbar mit dem in 2 illustrierten Ausführungsbeispiel, jedoch ergänzt durch jeweils zwei längs der Raumachse 4 primärseitig angeordnete Permanentringmagnete 63, 64, deren Magnetpolung derart gewählt ist, dass zwischen diesen und dem sekundärseitig angebrachten Permantenmagneten 61* jeweils bei axialer Annäherung längs der Raumachse 4 stets magnetisch abstoßende Kräfte vorherrschen.
Bei einer derartigen Anordnung bilden die Permanentmagnete 61* und 63 aufgrund ihrer magnetischen Wechselwirkung ein erstes nicht elektrisch leitendes Koppelelement und die beiden Permanentmagnete 61* und 64 ein zweites nicht elektrisch leitendes Koppelelement zur magnetischen Lagerung der Inertialmasse.
Somit wirken die zwischen der sekundärseitig angebrachten Magnetanordnung 61* und den primärseitigen Permanentringmagneten 63, 64 vorherrschenden Magnetkräfte ergänzend zu den Rückstellkräften, die von den Federelementen 21, 22 herrühren. Von der Notwendigkeit die Primärseite mit der Sekundärseite elektrisch zu verbinden abgesehen, eröffnet das die Möglichkeit auf die Federelemente 21, 22 ganz zu verzichten, so dass die Schwingungsauslenkung der Sekundärseite 5 ausschließlich auf einer reinen magnetischen Lagerung beruht, die sich aus der Wechselwirkung der vermittels der elektrischen Spuleneinheiten 91 und 92 herrührenden Magnetfeldern und den seitens der Permanentmagnetanordnungen 61*, 63, 64 herrührenden Permanentmagnetfeldern ausbildet.
Im Falle einer reinen magnetischen Lagerung bedarf es für die notwenige elektrische Kontaktierung der elektrischen Spuleneinheiten 91, 92 sowie der primärseitig angebrachten Peripheriekomponenten 10 eine elektrische Verbindung zwischen der sekundärseitigen elektrischen Speichereinheit 7 und der Primärseite 3. Die elektrische Verbindung sollte vorzugsweise einerseits die Schwingungsdynamik der Sekundärseite 5 nicht beeinträchtigen und andererseits keiner schwingungsbedingten funktions- und materialspezifischen Degradationen unterliegen. Ein elektrischer Leiter mit derartigen Eigenschaften weist vorzugsweise die Form einer Helix oder Spirale auf oder ist wellen- oder zickzackförmig ausgebildet. Auch sind Membran- oder Blattfederartige Ausbildungen vorstellbar. Derartige Leiterformen gestatten eine schadlose Kompression sowie auch Streckung längs einer der jeweiligen Leiterform zugeordneten Verformungsachse. So sei im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß 4 angenommen, dass bei einer rein magnetischen Lagerung der Sekundärseite 5 der elektrische Energiespeicher 7 beispielsweise über zwei längs der Raumachse 4 orientierte helikal geformte elektrische Leiter 12, 12' mit der Primärseite 3 elektrisch verbunden ist.
Das in 5 illustrierte Ausführungsbeispiel stellt eine Weiterbildung des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels dar. Zusätzlich sind primärseitig zwei ringförmig ausgebildete Permanentmagnete 63*, 64*, jeweils gehäuseendseitig, axial längs der Raumachse 4 gegenüberliegend angeordnet, mit jeweils einer aus 4 entnehmbaren magnetischen Polung derart, so dass zwischen der sekundärseitigen Magnetanordnung 61*, 62* und den jeweils primärseitig angebrachten Permanentmagnetanordnungen 63*, 64* magnetische Abstoßungskräfte wirken, die sich mit den von Seiten der Federelemente 21, 22 herrührenden Rückstellkräften konstruktiv überlagern. Somit ermöglicht auch die in 5 illustrierte Ausführungsform eine reine magnetische Lagerung der schwingenden Sekundärseite 5, die zur elektrischen Kontaktierung mit der Primärseite 3 über die vorstehend erläuterten helikal-, spiral- oder wellenförmig ausgebildeten elektrischen Leiter 12, 12' elektrisch verbunden werden kann.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Inertialmassenaktor illustriert, dessen Kraftgenerator in Form einer Tauchspulenanordnung ausgebildet ist, d.h. die primärseitig am Gehäuse 8 fest angebrachte, hohlzylinderförmig ausgestaltete Spuleneinheit 91 umfasst ein mit einem Gehäusewandabschnitt einseitig offenes Volumen 14, innerhalb dem die Sekundärseite 5 bidirektional, längs der Raumachse 4, die der Zylinderachse der hohlzylinderförmigen Spuleneinheit 91 entspricht, auslenkbar gelagert ist. Die Sekundärseite 5, die der schwingenden Inertialmasse des Inertialmassenaktors entspricht, weist den elektrischen Energiespeicher 7, einen Permanentmagneten 61 sowie ein magnetisches Flussleitstück 15 zur magnetischen Feldlinienführung sowie Lagerung bzw. Halterung beider Komponenten 7 und 61 auf. Über vorzugsweise als Membran- oder Blattfedern ausgebildete Federelemente 21, 22 ist die Sekundärseite 5 schwingend relativ zum Gehäuse 8 bzw. zur Primärseite 5 gelagert.
Die elektrische Verbindung zwischen dem sekundärseitig gelagerten elektrischen Energiespeicher 7 und den primärseitig angeordneten Peripheriekomponenten 10 sowie der Spuleneinheit 91 erfolgt über die elektrisch leitend ausgebildeten Federelemente 21, 22, die vorzugsweise aus Berylliumkupfer, Messing oder Federbronze gefertigt sind.
Nur der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass auf die zeichnerische Darstellung von elektrischen Verbindungsleitungen innerhalb der Sekundär- und Primärseite, die zur Kontaktierung bspw. der Spulenanordnung 91 mit den Peripheriekomponenten 10 oder des elektrischen Energiespeichers 7 mit den Federelementen 21, 22 erforderlich sind, aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet worden ist. Dies gilt auch für die Darstellung aller übrigen Ausführungsbeispiele.
In 7 ist ein mit der in 2 beschriebenen Ausführungsform vergleichbares Ausführungsbeispiel gezeigt, das anstelle eines sekundärseitig angebrachten ringförmigen Permanentmagnenten 61* einen aus ferromagnetischen Material gefertigten Tauchkern 16 aufweist, der den elektrischen Energiespeicher 7 ummantelt. Die Sekundärseite 5 ist zudem auf einem Gleit- oder Rollenlager 17 gelagert. Die Spuleneinheiten 91, 92 werden jeweils abwechselnd bestromt, so dass der ferromagnetische Tauchkern 16 jeweils von jener Spuleneinheit magnetisch angezogen wird, die bestromt ist.
Die als Schraubenfedern ausgebildeten Federelemente 21, 22 sind elektrisch leitend und sorgen zur elektrischen Verbindung zwischen Sekundärseite 5 und Primärseite 3.
In 8 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, das eine um die Raumachse 4 drehbar gelagerte Sekundärseite 5 besitzt, die unter Ausübung jeweils entgegengesetzt um die Raumachse 4 orientierte Schwingungen mit einem vorgebbaren Stellweg 13 ausführt. Die Sekundärseite 5 weist die Form eines Hammers auf, dessen unteres Hammerstielende drehbar an einem primärseitigen Drehlager 18 innerhalb einer Ausnehmung 81 des Gehäuses 8 angebracht ist. Am gegenüberliegenden Ende der Sekundärseite 5 ist der elektrische Energiespeicher 7 angebracht, der integraler Bestandteil der Inertialmasse ist.
Beidseitig längs des Hammerstielabschnittes sind Federelemente 21, 22 angebracht, die sich sowohl an der Sekundärseite 5 als auch am primärseitigen Gehäuse 8 abstützen und die Sekundärseite 5 federnd lagern. Als Kraftgenerator dient eine magnetische Spulentauchkernanordnung, mit einer primärseitig angebrachten elektrischen Spuleneinheit 9 und einer sekundärseitig angebrachten Magneteinheit, in Form eines Permanentmagneten 61 oder eines ferromagnetischen Kerns 16.
Zur erforderlichen Energieversorgung der Spuleneinheit 9 sowie auch der primärseitig angebrachten Peripheriekomponenten 10 verfügen die Federelemente 21, 22 über elektrisch leitende Eigenschaften. Alternativ oder in Kombination hierzu dient eine am Drehlager 18 angeordnete elektrisch leitende Spiralfeder 12" für die Energieübertragung zwischen Sekundär- und Primärseite 5, 3.
Es ist auch denkbar, dass anstelle der Federelemente 21, 22 ausschließlich die Spiralfeder 81 sowohl zur elektrischen Energieübertragung, als auch zur federnden Lagerung der Sekundärseite 5 dient.
Der in 8 illustrierte Inertialmassenaktor 1 vermag Drehimpulse mit jeweils abwechselnden Drehsinn zu erzeugen und mittels geeigneter mechanischer Kopplung der Primärseite an eine Struktur auf diese zu übertragen. Bspw. dienen zur Kopplung des Inertialmassenaktors 1 an eine Struktur primärseitig angebrachte mechanische Schnittstellen in Form von Befestigungsöffnungen 19.
Der lösungsgemäße Inertialmassenaktor eignet sich insbesondere als Schwingungsgenerator zur Einkopplung von Schwingungen in Strukturen, an die der Inertialmassenaktor mechanisch starr gekoppelt wird. Zu Zwecken der mechanischen Kopplung sieht der Inertialmassenaktor 1 eine geeignet ausgebildete mechanische Schnittstelle an der Primärseite vor. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die seitens des Inertialmassenaktors erzeugbaren schwingungsdynamischen Prozesskräfte weitgehend verlustfrei in die jeweils angekoppelte Struktur einkoppelbar sind. Bevorzugte Anwendungs- und Einsatzzwecke betreffen beispielsweise die Ankopplung an Kinder- oder Babyschaukeln, an Kinder- oder Babybetten oder an Kinderwägen zum Zwecke der Beruhigung der Babys oder Kinder. Weitere Anwendungsmöglichkeiten stellen Hängematten, Hollywoodschaukeln, Massagegeräte, Vibratoren zur Stimulation, Geräte zur Unterstützung basaler Stimulationen, Sport-, Fitness oder Trainingsgeräte, Geräte zur Erzeugung eines haptischen Feedbacks wie Gamecontroller, Computermäuse, Virtual Reality Brillen und Virtual Reality Anzüge, Schwingförderer sowie auch Geräte zur Bewegung von Gegenständen um Aufmerksamkeit zu erzeugen (Werbetafeln, Mobile, Spielzeug, Vogelscheuche) dar.
Gleichfalls ist es möglich, den lösungsgemäß ausgebildeten Inertialmassenaktor zu Zwecken der Schwingungskontrolle oder als Schwingungstilger an schwingende Strukturen zu koppeln, um diese schwingungsspezifisch zu beruhigen. In diesem Fall gilt es die elektrische Spulenanordnung elektrisch zu aktivieren, so dass der Inertialmassenaktor jeweils Gegenschwingungen zum aktuellen Schwingungszustand der angekoppelten schwingenden Struktur ausführt. Durch die portable und leichtgewichtige Ausbildung des lösungsgemäßen Inertialmassenaktors kann eine Vielzahl derartiger Inertialmassenaktoren auf eine schwingungsspezifisch zu beruhigende Struktur angekoppelt werden, von denen die einzelnen Inertialmassenaktoren allesamt autark und unabhängig voneinander oder in einer aufeinander abgestimmten Weise schwingungsdynamisch Einfluss auf die schwingungs-zu-dämpfende Struktur nehmen können.
Bezugszeichenliste

1: Inertialmassenaktor
21,22: Federelement
3: Primärseite
4: Raumachse
5: Sekundärseite
61,61*: Permanentmagnet, ringförmiger Permanentmagnet
62,62*: Permanentmagnet
63,63*: Permanentmagnet
64,64*: Permanentmagnet
7: Elektrischer Energiespeicher
8: Gehäuse
81: Ausnehmung
9: Elektrische Spuleneinheit
91, 92: Elektrische Spuleneinheit
10: Peripheriekomponenten
11: Symmetrieachse
12, 12', 12": Elektrischer Leiter
13: Stellweg
14: Luftvolumen
15: Magnetisches Flussleitstück
16: Ferromagnetischer Tauchkern
17: Gleit- oder Rollenlager
18: Drehlager
19: mechanische Schnittstelle, Befestigungsöffnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008016959 A1 [0006]
WO 2010/000316 A1 [0007, 0017]
DE 102015111527 A1 [0008]

Claims

Inertialmassenaktor mit einer Primär- (3) und einer Sekundärseite (5), bei dem die Sekundärseite (5) eine gegenüber der Primärseite (3) schwingend gelagerte Inertialmasse sowie die Primärseite (3) wenigstens einen Teil eines Kraftgenerators umfasst, der mit der Inertialmasse in Wirkverbindung steht und eine Kraft zwischen Primär- und Sekundärseite (3, 5) ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertialmasse einen elektrischen Energiespeicher (7) umfasst, der über wenigstens ein Koppelmittel schwingend gegenüber der Primärseite gelagert ist, dass das wenigstens eine Koppelmittel und/oder wenigstens ein elektrischer Leiter (12) den elektrischen Energiespeicher (7) mit der Primärseite (3) elektrisch verbindet, und dass der elektrische Leiter (12) eine formbedingte Achse besitzt, längs der oder um die der elektrische Leiter (12) elastisch verformbar ist.
Inertialmassenaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Koppelmittel als Federelement (21, 22) oder in Form einer magnetischen Lagerung ausgebildet ist.
Inertialmassenaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Federelement (21, 22) aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt ist, oder dass in das wenigstens eine Federelement (21, 22) wenigstens ein elektrischer Leiter eingebracht ist.
Inertialmassenaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Federelement (21, 22) eine Torsions-, Membran-, Blatt-, Schrauben-, Wellen-, Zickzack- oder Spiralfeder ist.
Inertialmassenaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass primärseitig wenigstens eine mit dem Kraftgenerator und/oder über das wenigstens eine Federelement (21, 22) mit dem elektrischen Energiespeicher (7) verbundene Peripheriekomponente (10) angebracht ist, und dass die wenigstens eine Peripheriekomponente (10) wenigstens eine der nachfolgenden Komponenten ist: Steuerelektronik, Sensor, visuelles und/oder akustisches Signalmittel, manuelles Bedienmittel, elektrische Kontakteinheit.
Inertialmassenaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kraftgenerator aus sowohl an der Primär-(3) als auch an der Sekundärseite (5) angebrachte Kraftgeneratorkomponenten zusammensetzt.
Inertialmassenaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärseite (3) ein die Sekundärseite (5) wenigstens teilweise oder vollständig umfassendes Gehäuse (8) aufweist, innerhalb dem die Sekundärseite (5) schwingend gelagert ist.
Inertialmassenaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärseite (5) längs einer Raumachse (4) bidirektional oder um eine Raumachse (4) entgegengesetzt zirkular auslenkbar gelagert ist.
Inertialmassenaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die formbedingte Achse des wenigstens einen elektrischen Leiters (12) parallel zur Raumachse (4) orientiert ist.
Inertialmassenaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elektrische Leiter (12) in Form einer Helix, Spirale, Welle ausgebildet ist.
Inertialmassenaktor nach Anspruch 2, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärseite (5) wenigstens den elektrischen Energiespeicher (7) sowie wenigstens eine Magneteinheit (61) umfasst, dass die Sekundärseite (5) längs der Raumachse (4) über zwei jeweils an gegenüberliegenden Enden der Sekundärseite (5) angebrachte Federelemente (21, 22) mit dem Gehäuse (8) verbunden ist, und dass gehäuseseitig wenigstens eine elektrische Spuleneinheit (9) angebracht ist, die über die zwei Federelemente (21, 22) mit dem elektrischen Energiespeicher (7) elektrisch verbunden ist.
Inertialmassenaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass gehäuseseitig wenigstens eine Magneteinheit (63) angebracht ist.
Inertialmassenaktor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinheit ein Permanent-, Ferro- oder Elektromagnetanordnung aufweist.
Inertialmassenaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass primärseitig eine mechanische Schnittstelle (9) zur lösbar festen Anbringung an ein Objekt vorgesehen ist.
Inertialmassenaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 14,, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) teilweise oder komplett aus einem ferromagnetischen Material besteht.
Verwendung des Inertialmassenaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als Schwingungsgenerator, der im Wege einer mechanischen Kopplung an einen dritten Körper für folgende Zwecke einsetzbar ist: - Durch Kopplung an eine Kinder- oder Babyschaukel, ein Kinder- oder Babybett, einen Kinderwagen zur Beruhigung von Babys oder Kinder, - Massagegerät - Vibratoren zur Stimulation - Geräte zur Unterstützung basaler Stimulation - Sport- oder Trainingsgerät - Geräte zur Erzeugung eines haptischen Feedback, wie Gamecontroller, VR-Brille, VR-Anzug, Operationsbesteck, Uhr, - Gerät zur Bewegung von Objekten, wie Werbetafel, Mobile, Spielzeug, Vogelscheuche - Schwingförderer
Verwendung des Inertialmassenaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Schwingungskontrolle oder als Schwingungstilger.