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Die Erfindung betrifft eine Vibrationsvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeugsitz. Die Erfindung betrifft zudem einen Fahrzeugsitz umfassend eine solche Vibrationsvorrichtung.
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Vibrationsvorrichtungen werden verwendet, um beispielsweise eine Massagefunktion an einem Fahrzeugsitz bereitzustellen. Neben linear wirkenden Aktuatoren kommen dabei auch rotatorische Aktuatoren zum Einsatz. Vibrationsvorrichtungen gemäß dem rotatorischen Prinzip umfassen herkömmlich einen Elektromotor, der eine Welle antreibt, die, üblicherweise außerhalb des Motors, mit einer Exzenter-Unwucht bestückt ist. Bei Betrieb des Motors bewirkt die rotierende Exzenter-Unwucht eine Vibrationsbewegung.
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Bei den bekannten Techniken für rotatorische Vibrationsvorrichtungen können sich Nachteile daraus ergeben, dass neben dem Elektromotor weitere Komponenten, wie etwa eine zusätzliche Exzenter-Unwucht, erforderlich sind, die insbesondere zusätzlichen Bauraum erfordern. Zudem wirkt sich eine außerhalb des Motors angeordnete Exzenter-Unwucht oft nachteilhaft auf die Motorlager aus.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vibrationsvorrichtung bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile mildert oder vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach umfasst gemäß einem ersten Aspekt eine Vibrationsvorrichtung eine Statoranordnung und einen Rotor, der dazu ausgebildet ist, mit der Statoranordnung einen Elektromotor zu bilden. Der Rotor ist dabei mit Bezug auf eine Drehachse des Elektromotors exzentrisch gewichtet.
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Die Vibrationsvorrichtung kann ferner eine Welle umfassen, die konzentrisch mit der Drehachse des Elektromotors angeordnet ist. Der Rotor kann dabei an der Welle angebracht sein.
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Eine exzentrische Gewichtung des Rotors kann wenigstens teilweise durch wenigstens eine Materialaussparung bewirkt sein. Die Materialaussparung kann in einem Bereich des Rotors angeordnet sein, der mit Bezug auf die Drehachse des Elektromotors einem Schwerpunkt des Rotors gegenüberliegt.
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Eine Aktivmasse des Rotors kann die Drehachse des Elektromotors gleichmäßig umgeben.
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Alternativ dazu kann eine Aktivmasse des Rotors die Drehachse des Elektromotors nur teilweise umgeben und in einem Bereich des Rotors angeordnet sein, der mit Bezug auf die Drehachse des Elektromotors einen Schwerpunkt des Rotors umfasst.
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Der Elektromotor kann wenigstens zwei Polpaare aufweisen.
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Der Elektromotor kann ein bürstenloser Elektromotor sein. Dabei kann der Elektromotor einen Reluktanzmotor umfassen. Ferner kann der Elektromotor einen Außenläufer umfassen.
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Alternativ kann der Elektromotor ein bürstenbehafteter Elektromotor sein. Dabei kann der Rotor eine Mehrzahl spulenbesetzter Zähne aufweisen, die derart angeordnet sind, dass sie die Drehachse des Elektromotors nur in einem Teilbereich umgeben. Ein Schwerpunkt des Rotors kann dabei mit Bezug auf die Drehachse des Elektromotors in dem Teilbereich angeordnet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeugsitz beschrieben. Der Fahrzeugsitz umfasst wenigstens eine Vibrationsvorrichtung der hier vorgestellten Art.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1 - 3 Querschnittsansichten von Vibrationsvorrichtungen gemäß mehreren Ausfüh ru ngsbeispielen;
- 4 eine schematische Darstellung einer Vibrationsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
- 5 - 6 verschiedene Darstellungen einer Vibrationsvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
- 7 eine schematische Darstellung eines Schaltbeispiels für eine Vibrationsvorrichtung gemäß 5 und 6.
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1 zeigt schematisch und exemplarisch eine Querschnittsansicht einer Vibrationsvorrichtung 100 gemäß einem Beispiel. Die Vibrationsvorrichtung 100 umfasst eine Statoranordnung 102 sowie einen Rotor 120. Statoranordnung 102 und Rotor 120 sind dazu ausgebildet, einen Elektromotor zu bilden. Dazu weist die Statoranordnung 102 mehrere Statorzähne 104 auf, die durch eine entsprechende Anordnung mit Magneten 122 des Rotors 120 wechselwirken. Die Magnete 122 tragen dabei zu einer Aktivmasse des Rotors 120 bei. Die Statoranordnung 102 umgibt den Rotor 120 konzentrisch mit Bezug auf eine Drehachse D des Elektromotors. Bei dem Elektromotor handelt es sich beispielsweise um einen bürstenlosen Elektromotor.
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Der Rotor 120 weist mehrere Materialaussparungen 124 auf in einem Bereich, der die Drehachse D nur teilweise umgibt. Bei den Materialaussparungen 124 handelt es sich beispielsweise um Ausstanzungen aus einem oder mehreren Rotorblechen des Rotors 120. Wegen ihrer ungleichmäßigen Anordnung mit Bezug auf die Drehachse D bewirken die Materialaussparungen 124 eine exzentrische Gewichtung des Rotors 120. Insbesondere ist ein Schwerpunkt S des Rotors 120 mit Bezug auf die Drehachse D exzentrisch gelagert. Der Schwerpunkt S liegt dabei in dem gezeigten Beispiel einem Bereich der Materialaussparungen 124 mit Bezug auf die Drehachse D gegenüber.
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In dem Beispiel von 1 beeinflussen die Materialaussparungen 124 eine Funktionsweise des Elektromotors 102, 120 gegenüber einem herkömmlichen Elektromotor nicht grundsätzlich. Insbesondere umgibt eine Aktivmasse des Rotors 120, beispielhaft dargestellt durch die Magnete 122, die Drehachse D gleichmäßig.
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Bei einem Betrieb des Elektromotors 102, 120 bewirkt die exzentrische Gewichtung des Rotors 120 eine Vibrationsbewegung der Vibrationsvorrichtung 100. Dabei sind außer den zum Bilden eines Elektromotors 102, 120 erforderlichen Komponenten keine zusätzlichen Bauteile nötig. Insbesondere ist das Anbringen von Exzenter-Unwuchten zusätzlich zu dem Elektromotor 102, 120 an einer von dem Elektromotor angetriebenen Welle, beispielsweise außerhalb des Elektromotors, entbehrlich. In einigen Beispielen begünstigt die Vibrationsvorrichtung 100 zudem eine schonende Motorlagerung im Vergleich zu Vibrationsvorrichtungen mit außerhalb des Elektromotors angebrachten Unwuchten.
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2 zeigt schematisch und exemplarisch eine Vibrationsvorrichtung 200 gemäß einem weiteren Beispiel. Ähnlich dem Beispiel aus 1 umfasst auch die Vibrationsvorrichtung 200 eine Statoranordnung 202 sowie einen Rotor 220, die gemeinsam einen Elektromotor zum Erzeugen einer Drehbewegung des Rotors 220 um eine Drehachse D des Elektromotors ermöglichen. Ferner umfasst auch die Statoranordnung 202 eine Mehrzahl von Statorzähnen 204.
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Bei dem Rotor 220 ist wiederum ein Schwerpunkt S so gelegen, dass eine exzentrische Gewichtung des Rotors 220 vorliegt. Eine Verlagerung des Schwerpunkts S mit Bezug auf die Drehachse D ist dabei ebenfalls durch eine Materialaussparung 224 in einem Bereich des Rotors 220, der die Drehachse D teilweise umgibt, bewirkt.
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Anders als in dem Beispiel von 1 ist bei dem Rotor 220 eine Aktivmasse 222 jedoch nicht gleichmäßig um die Drehachse D angeordnet. Stattdessen umgibt die Aktivmasse 222 des Rotors 220 die Drehachse D nur noch in einem Teilbereich. Rotormaterial in einem Bereich gegenüber der Aktivmasse 222 trägt dabei beispielsweise nicht zur Wechselwirkung mit der Statoranordnung 202 bei, sondern dient zur mechanischen Festigkeit. Der Rotor 220 kann daher als ein nur rudimentär ausgebildet Rotor angesehen werden, bei dem die Aktivmasse 222 gleichzeitig als Unwucht der Vibrationsvorrichtung 200 dient. In dem gezeigten Beispiel weist die Statoranordnung 202 sechs Statorzähne 204 auf.
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Bei der Vibrationsvorrichtung 200 handelt es sich beispielsweise ebenfalls um einen bürstenlosen Motor. Dabei sind in einigen Beispielen als Teil der Aktivmasse 222 Magneten als Polpaare an dem Rotor 220 vorgesehen, beispielsweise entsprechend drei Polpaaren. Die beschriebene Funktionsweise lässt sich jedoch vorteilhaft auch mit einer abweichenden Anzahl von vorzugsweise wenigstens zwei Polpaaren erzielen. Bei einer Anzahl von wenigstens zwei Polpaaren kann dabei zudem auf Magnete an dem Rotor 220 verzichtet werden. Dabei wirkt der Elektromotor 202, 220 beispielsweise als Reluktanzmotor. In weiteren Beispielen handelt es sich bei dem Elektromotor 202, 220 um einen Dreiphasenmotor, der entsprechend einer herkömmlichen Betriebsweise mit einem Wechselrichter mit Vollbrücke betreibbar ist.
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3 zeigt schematisch und exemplarisch eine Vibrationsvorrichtung 300 gemäß einem weiteren Beispiel. Ähnlich dem Beispiel aus 2 umfasst die Vibrationsvorrichtung 300 eine Statoranordnung 302 mit mehreren Statorzähnen 304 sowie einen Rotor 320, der exzentrisch gewichtet ist. Die exzentrische Gewichtung des Rotors 320 ergibt sich dabei wiederum aus einer nur rudimentären Ausbildung des Rotors 320, bei der eine Aktivmasse 322 die Drehachse D nur in einem Teilbereich umgibt. Dabei ergibt sich eine Materialaussparung 324 in einem verbleibenden Bereich, sodass ein Schwerpunkt S des Rotors 320 mit Bezug auf die Drehachse D exzentrisch verlagert ist. Mit Bezug auf die Vibrationsvorrichtung 300 und ihre Funktionsweise gilt das im Zusammenhang mit 2 Gesagte entsprechend, soweit sich aus dem Nachfolgenden nichts anderes ergibt.
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Abweichend von dem Beispiel aus 2 weist die Statoranordnung 302 insgesamt nur vier Statorzähne 304 auf. Die Vibrationsvorrichtung 300 ist dabei beispielsweise mittels einer einfachen und kostengünstigen unipolaren Schrittmotorsteuerung betreibbar. Zudem ist ein Betrieb der Vibrationsvorrichtung 300 beispielsweise mit oder ohne Magnete im Rotor 320 möglich. Zudem können Spulen auf den Statorzähnen 304 beispielsweise mittels Vollschrittverfahren oder Halbschrittverfahren angesteuert werden, etwa abhängig von Komfortansprüchen an die Vibrationsvorrichtung 300.
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Bei den vorgenannten Beispielen der Vibrationsvorrichtungen 200, 300 brauchen die Rotoren 220, 320 nicht aus einzelnen Blechen aufgebaut zu werden. Vielmehr ermöglicht ein synchrones Betriebsverhalten der Motoren eine einstückige Ausführung des jeweiligen Rotors 220, 320. Der Rotor ist dabei beispielsweise als Gussteil, Kaltfließteil, Sinterteil oder Stanzbiegeteil ausgebildet. Dies gilt gleichermaßen für magnetbehaftete wie auch magnetlose Umsetzungen.
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4 zeigt schematisch und exemplarisch eine Vibrationsvorrichtung 400 gemäß einem weiteren Beispiel. Wie die Beispiele aus 2 und 3 umfasst auch die Vibrationsvorrichtung 400 eine Statoranordnung 402 und einen Rotor 420 mit exzentrischer Gewichtung. Die Statoranordnung 402 weist dabei wiederum mehrere Statorzähne 404 auf. Zudem umfasst auch der Rotor 420 eine Aktivmasse 422, die nur in einem Teilbereich um eine Drehachse des Motors 402, 420 angeordnet ist, sodass in einem verbleibenden Teilbereich eine Materialaussparung 424 vorliegt. In dem gezeigten Beispiel ist der Rotor 420 zudem an einer Welle 430, die konzentrisch zur Drehachse des Motors 402, 420 verläuft, angebracht. Für die Funktionsweise der Vibrationsvorrichtung 400 gilt das im Zusammenhang mit den vorhergehenden Beispielen Gesagte entsprechend, soweit sich aus dem Nachfolgenden nichts anderes ergibt.
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In den vorangehenden Beispielen ist die Statoranordnung jeweils um den Rotor des jeweiligen Motors angeordnet. Im Gegensatz dazu handelt es sich bei dem Elektromotor 402, 420 der Vibrationsvorrichtung 400 um einen Außenläufer, d.h., der Rotor 420 umläuft die Statoranordnung 402 entlang einer Außenseite der Statoranordnung 402. Dabei sind beispielsweise Magnete entsprechend zwei oder mehr Polpaaren als Teil der Aktivmasse 422 in dem Rotor 420 vorgesehen.
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Die Ausbildung des Elektromotors 402, 420 als Außenläufer begünstigt die exzentrische Gewichtung des Rotors 420. Insbesondere hat die Anordnung der Materialaussparung 424, die hierbei in verhältnismäßig großem Abstand zu der Drehachse vorliegt, einen starken Einfluss auf die Exzentrizität der Gewichtung, etwa im Vergleich zu den vorangehenden Beispielen, bei denen eine Ungleichverteilung der Masse näher an der Drehachse liegt und so eine geringere Unwucht erzielt wird. Bei den vorangehenden Beispielen wiederum bewirken entsprechend die rudimentär ausgebildeten Rotoren 220, 320 typischerweise eine stärkere Exzentrizität und resultierende Unwucht als die Materialaussparungen 124 der Vibrationsvorrichtung 100 aus 1.
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5 zeigt schematisch und exemplarisch eine Vibrationsvorrichtung 500 gemäß einem weiteren Beispiel. Ähnlich den vorangehenden Beispielen umfasst auch die Vibrationsvorrichtung 500 eine Statoranordnung 502 und einen Rotor 520 mit exzentrischer Gewichtung. Abweichend von den vorangehenden beschriebenen Beispielen handelt es sich bei dem Motor 502, 520 jedoch um einen bürstenbehafteten Motor. Dabei sind entlang einer Innenseite der Statoranordnung 502 Magnete 504 als Polpaare angeordnet. Zudem weist der Stator 520 mehrere mit Spulen 526 besetzte Zähne 522 auf. Die Zähne 522 sind dabei so angeordnet, dass sie eine Welle 530 konzentrisch zur Drehachse des Motors 502, 520 nicht gleichmäßig, sondern nur in einem Teilbereich umgeben. Hieraus ergibt sich ähnlich den vorangehenden beschriebenen Beispielen eine mit Bezug auf die Drehachse des Motors exzentrische Lagerung eines Schwerpunkts des Rotors 520.
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Wie bei den Beispielen aus 2 - 4 bilden die spulenbesetzten Zähne 522, 526 als Aktivmasse des Elektromotors gleichzeitig eine Unwucht zum Erzeugen einer Vibration. In dem gezeigten Beispiel sind dazu gegenüber einem herkömmlichen Motoraufbau für benachbarte Zähne 522 jeweils die gegenüberliegenden Zähne weggelassen. Zum Betrieb der Vibrationsvorrichtung 500 sind daher einige Anpassungen in der Schaltung der Vibrationsvorrichtung 500 vorteilhaft, wie nachfolgend näher beschrieben. Auch bei dieser Art von Motoren ist eine Anzahl von Polpaaren von wenigstens zwei vorteilhaft.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vibrationsvorrichtung 500. Erkennbar ist die Anordnung des Rotors 520 innerhalb der Statoranordnung 502, sowie die Anbringung des Rotors 522 an der Welle 530.
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7 zeigt ein Schaltbeispiel 700 für die Vibrationsvorrichtung 500. In dem Schaubild entspricht die horizontale Richtung einer tangentialen Erstreckung des Elektromotors 502, 520. Die Magnete 504 der Statoranordnung 502 sind in einem oberen Bereich dargestellt. Darunter findet sich eine Zeile von Lamellen L1 - L12 eines Kommutators des Elektromotors 502, 520. Oberhalb der Lamellen L1 - L6 sind aneinander angrenzend die Spulen 526 dargestellt. Entsprechend der Auslassung der Hälfte der Zähne bei dem Elektromotor 502, 520 gegenüber einem herkömmlichen Elektromotor ist eine paarweise Verbindung der Lamellen L1 - L6 und L7 - L12 durch Verbindungsdrähte vorgesehen. Auf diese Weise ist ermöglicht, dass die Stromzufuhr von den Bürsten 702, 704 des Elektromotors 502, 520 über die jeweiligen Lamellen L1 - L12 zu den Spulen 526 kontinuierlich erfolgt. So lässt sich beispielsweise eine Drehbewegung mit nahezu konstantem Drehmoment im Magnetfeld der Magnete 504 erzielen.
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Die Vibrationsvorrichtung 500 und das Schaltbeispiel 700 wie vorangehend beschrieben sind nur beispielhaft gewählt. In anderen Beispielen sind andere Kombinationen hinsichtlich einer Lamellenzahl sowie einer Anzahl und/oder Anordnung von Zähnen 522 oder Magneten 504 möglich.
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In einigen Beispielen der Vibrationsvorrichtung 500 ist die Reihe der Zähne gegenüber einer herkömmlichen, gleichmäßigen Anordnung nicht halbiert, wie in 5 gezeigt, sondern in einem anderen Verhältnis reduziert, beispielsweise gedrittelt oder geviertelt. Dabei ist abweichend von dem Schaltbeispiel in 7 in einigen Beispielen keine paarweise Verbindung, sondern eine hiervon abweichende Verbindung, beispielsweise von jeweils drei oder vier Lamellen L1 - L12, etwa entsprechend einer 120-Grad- oder einer 90-Grad-Rotationssymmetrie des Kommutators, vorgesehen. Dabei ist wiederum eine kontinuierliche Stromzufuhr zu den Spulen 526 über die Bürsten 702, 704 gewährleistet.
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In weiteren Beispielen der Vibrationsvorrichtung 500 sind alternativ oder zusätzlich zu Verbindungen zwischen Lamellen L1 - L12 eine oder mehrere zusätzliche Bürsten vorgesehen. Die zusätzlichen Bürsten sind dabei in Bezug auf den Rotor so angeordnet, dass sie eine Stromzufuhr auch in einem Winkelbereich der Materialaussparung 524, in dem keine Zähne angeordnet sind, ermöglichen. Der Kommutator ist dabei beispielsweise in herkömmlicher Weise, d.h. gemäß einer vollständigen gleichmäßigen Zahnanordnung, betreibbar.
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In einigen Beispielen der Vibrationsvorrichtung 500 ist eine nicht-symmetrische Anordnung der Spulen 526 an den Zähnen 522 vorgesehen. Damit sind beispielsweise nicht-symmetrische Beschleunigungseffekte realisierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 100, 200, 300, 400, 500
- Vibrationsvorrichtung
- 102, 202, 302, 402, 502
- Statoranordnung
- 104, 204, 304, 404
- Statorzahn
- 120, 220, 320, 420, 520
- Rotor
- 122,222,322, 422
- Aktivmasse
- 124, 224, 324 424, 524
- Materialaussparung
- 430,530
- Welle
- 504
- Magnet
- 522
- Zahn
- 526
- Spule
- 700
- Schaltbeispiel
- 702, 704
- Bürste
- D
- Drehachse
- L1 - L12
- Lamelle
- S
- Schwerpunkt
