DE19802950A1

DE19802950A1 - Drehvorrichtung mit Stabilisator

Info

Publication number: DE19802950A1
Application number: DE19802950A
Authority: DE
Inventors: William A Romanauskas
Original assignee: Sorvall Products LP
Current assignee: Sorvall Products LP
Priority date: 1997-01-28
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 1998-07-30
Also published as: FR2758867A1; JPH10281219A; US5921150A

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehvorrichtung, z. B. eine Zen trifuge, mit Stabilisator.

Bei einer Drehvorrichtung kann es sich um ein Antriebssystem (z. B. für eine Zentrifugenvorrichtung) handeln, das typi scherweise eine Welle aufweist, die an einem Ende mit einer zur Erzeugung einer Antriebskraft vorgesehenen Einrichtung (z. B. einem Elektromotor) verbunden ist. Die Welle trägt an einer Stelle entlang ihrer Längserstreckung eine Last. Ein derartiges Antriebssystem hat den inhärenten Nachteil, daß eine Unwucht der Last auftreten kann. Selbst eine sehr klei ne Unwucht in der ansonsten symmetrischen Masseverteilung um die Antriebswelle herum kann schädliche Vibrationen verursa chen. Die Größe der Unwucht setzt die Lager einer uner wünschten Belastung aus.

Ein möglicher Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, die Antriebswelle mit einer gewissen Flexibilität zu versehen. Wenn jedoch eine derartige Drehvorrichtung auf ihre Betriebs-Drehzahl beschleunigt wird, durchläuft das System mehrere kritische Drehzahlen. Eine dünne, langge streckte Welle, die um ihre Längsachse rotiert, weist be stimmte natürliche Vibrationsfrequenzen auf, die sich bei diesen kritischen Drehzahlen spürbar auswirken. Somit wird das Antriebssystem beim Durchlaufen einer kritischen Dreh zahl einer Vibration ausgesetzt, die ihrerseits die auf die Lager wirkende Last vergrößert. Dieses Ansteigen der Last kann die Lebensdauer der Lager beträchtlich verkürzen. Bei der als Anwendungsbeispiel für die Drehvorrichtung erwähnten Zentrifuge kann die Vibration auch einen nachteiligen Effekt auf die Probe haben, die innerhalb des Rotors der Zentrifuge behandelt wird.

Zur Lösung des Problems der Vibration, die das Antriebssy stem einer Drehvorrichtung beim Durchlaufen einer kritischen Drehzahl erfährt, sind mehrere Verfahren vorgeschlagen wor den. Gemäß einem Lösungsansatz wird versucht, die Vibratio nen, denen das System ausgesetzt ist, zu dämpfen. US-A- 5026341 beschreibt ein Beispiel eines Drehsystems zur Ver wendung in einer Zentrifuge, bei der die Durchbiegung der Welle eingeschränkt wird und dadurch die Vibration gedämpft wird.

Ein weiterer Lösungsansatz, der z. B. durch die Anordnung gemäß US-A-4236426 verwirklicht ist, besteht darin, die phy sikalischen Eigenschaften des Antriebssystems drehzahlabhän gig zu verändern. Folglich ist für einen ersten Abschnitt des Drehzahl-Bereiches des Systems die Steifigkeit des Sy stems derart beschaffen, daß die kritische Drehzahl deutlich jenseits eines vorbestimmten Drehzahl-Schwellenwertes liegt. Sobald jedoch der Drehzahl-Schwellenwert überschritten wird, wird die Steifigkeit des Systems dynamisch derart verändert, daß die kritische Drehzahl des modifizierten Antriebs deut lich unterhalb des vorbestimmten Schwellenwertes liegt. Somit werden, während die Vorrichtung über ihren vollen Drehzahl-Bereich bis auf ihre Betriebsdrehgeschwindigkeit beschleunigt wird, die sowohl bei dem ursprünglichen als auch bei dem modifizierten Antrieb auftretenden kritischen Drehzahlen vermieden. Bei der Vorrichtung gemäß US-A-4236426 werden Federn, Dämpfungsvorrichtungen und/oder Massen als Reaktion auf Veränderungen in dem Durchbiegen der Welle aktiv gekoppelt und entkoppelt. Dieses Koppeln und Entkop peln hat den Effekt, daß die kritischen Drehzahlen verändert werden.

Beide oben angeführten Lösungen erfordern bei ihrer Imple mentierung normalerweise einen komplexen Mechanismus, um das Zusammenwirken zwischen den drehenden und nichtdrehenden Teilen des Antriebssystems zu bewirken. In jedem Fall können technische Schwierigkeiten auftreten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Drehvorrichtung zu schaf fen, bei der die Steifigkeit des Antriebssystems auf ein fache Weise dynamisch veränderbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird mit der Erfindung eine Drehvor richtung nach Anspruch 1 und Anspruch 10 vorgeschlagen.

Die Erfindung betrifft eine Drehvorrichtung mit einer Welle, die ein erstes und ein zweites Ende hat. Die Welle weist eine Rotorbefestigungsstelle auf, die an einer vorbestimmten Position an der Welle angeordnet ist und die Welle in einen ersten und einen zweiten Abschnitt unterteilt. Der erste Abschnitt der Welle ist mit einer Antriebsquelle zum Drehen der Welle verbunden. Ein Drehzahlmesser ist zum Überwachen der Drehzahl der Welle vorgesehen.

Gemäß der Erfindung ist an dem zweiten Abschnitt der Welle ein Stabilisator befestigt, der eine axial ausgerichtete Kraft auf die Welle ausübt. Die Größe der axial ausgerichte ten Kraft wird in Abhängigkeit von der durch den Drehzahl messer gemessenen Drehzahl der Welle bestimmt. Die Kraft kann eine axiale Druckkraft oder eine axiale Zugkraft sein.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Stabilisator eine magnetostriktive Vorrichtung auf, die betriebsmäßig mit dem Ende des zweiten Abschnitts der Welle gekoppelt ist. Die Größe des der magnetostriktiven Vorrichtung zugeführten Stroms wird in Abhängigkeit von der Drehzahl bestimmt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist der zum Aufbringen der Kraft vorgesehene Stabilisator eine motorgetriebene Gewindevorrichtung auf, die betriebsmäßig mit dem Ende des zweiten Abschnitts der Welle verbunden ist.

Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den Fig. näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Antriebssystem für eine Drehvorrichtung, bei dem eine magnetostriktive Vor richtung betriebsmäßig mit dem Ende einer Drehwelle verbunden ist; und

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Drehvorrichtung mit einer motorgetriebenen Gewindevorrichtung, die be triebsmäßig mit dem Ende einer Drehwelle verbunden ist.

Fig. 1 zeigt ein Antriebssystem 10 für eine Drehvorrichtung. Das Antriebssystem 10 kann bei jeder beliebigen Form einer Drehvorrichtung verwendet werden, z. B. einer Zentrifuge oder einem Schwungrad.

Das Antriebssystem 10 weist eine Welle 12 auf, die an einer Rotorbefestigungsstelle 16, welche an einer nach Zweckmä ßigkeit vorbestimmten Position entlang der Welle 12 angeord net ist, einen Rotor 14 aufnehmen kann. Vorzugsweise befin det sich die Rotorbefestigungsstelle 16 in Längsrichtung der Welle 12 in der Mitte. Die Rotorbefestigungsstelle 16 unter teilt die Welle 12 in einen ersten bzw. unteren Abschnitt 12L und einen zweiten bzw. oberen Abschnitt 12T.

Ein Abschnitt der Welle 12, bei dem es sich typischerweise um den unteren Abschnitt 12L handelt, ist mit einer An triebsquelle 22 (z. B. einem Elektromotor) verbunden, der als Quelle für eine Antriebskraft zum Drehen der Welle 12 um eine Drehachse CL dient. In den Figuren ist die Drehachse CL als vertikal durch die Welle 12 verlaufend gezeigt; das System gemäß der Erfindung ist jedoch selbstverständlich auch für eine Vorrichtung mit horizontal verlaufender Dreh achse 12 geeignet. Die Drehung des oberen Abschnitts 12T der Welle 12 wird seitlich durch eine Buchse 46 gestützt, die aus einem geeigneten nichtmagnetischen Material besteht. Der untere Abschnitt 12L der Welle 12 wird durch ein Lager 26 gehalten. Das Lager 26 ist fest an dem Gehäuse 30L ange bracht.

Innerhalb der Buchse 46 liegt ein magnetostriktives Element 50 - dessen Zweck noch näher erläutert wird - an dem oberen Abschnitt 12T der Welle 12 an. Der Zwischenraum zwischen der Welle 12, dem Element 50 und der Buchse 46 ist durch einen Spalt 46G definiert. Die Buchse 46 ist drehbar in der La gervorrichtung 28 angeordnet.

Die Vorrichtung weist einen Rahmen 30 auf, durch den die Welle 12 verläuft. Der Rahmen 30 ist in seiner Struktur derart beschaffen, daß er eine zweckmäßige Anbringungsvor richtung für die Antriebsquelle 22. und die Lager 26, 28 bil det. Ferner kann der Rahmen 30 durch mehrere Isolatorelemen te 34 vibrationsmäßig von der Umgebung isoliert sein.

Ein Drehzahlmesser 38 ist zum Überwachen der Drehzahl der Welle 12 vorgesehen. Der Drehzahlmesser 38 kann in jeder beliebigen auf dem Gebiet bekannten Weise implementiert sein und kann an jeder zweckmäßigen Position betriebsmäßig mit der Welle 12 verbunden sein. Der Drehzahlmesser 38 gibt über eine Leitung 38L ein Signal ab, das die Drehzahl der Welle 12 repräsentiert.

Gemäß der Erfindung weist das Antriebssystem 10 ferner einen in seiner Gesamtheit mit 40 bezeichneten Stabilisator auf, um eine axial ausgerichtete Kraft auf die Welle 12 aus zu üben. Die durch den Stabilisator 40 auf die Welle 12 ausge übte Kraft kann eine axiale Druckkraft oder eine axiale Zugkraft sein. Der Stabilisator 40 ist betriebsmäßig mit demjenigen Abschnitt der Welle 12 verbunden, der nicht mit der Antriebsquelle 22 verbunden ist. Bei der in den Figuren gezeigten Anordnung ist der Stabilisator 40 somit mit dem oberen Abschnitt 12T der Welle 12 verbunden. Die Buchse 46 ist mit demjenigen Abschnitt der Welle 12 verbunden, mit dem der zum Ausüben der Kraft vorgesehene Stabilisator 40 ver bunden ist. Die Größe der axial ausgerichteten Kraft, die der Stabilisator 40 auf die Welle 12 ausübt, wird in Abhän gigkeit von der durch den Drehzahlmesser 38 gemessenen Dreh zahl der Welle 12 bestimmt. Zu diesem Zweck ist er Stabili sator 40 betriebsmäßig mit der Ausgangsleitung 38L des Dreh zahlmessers 38 verbunden.

Der Kraftaufbringungs-Stabilisator 40 weist vorzugsweise eine magnetostriktive Vorrichtung auf, die betriebsmäßig mit dem magnetostriktiven Element 50 verbunden ist. Die magneto striktive Vorrichtung weist eine Spule 44 auf, die um das Element 50 herum angeordnet ist. Der durch die Spule 44 fließende Strom erzeugt ein Magnetfeld, welches das Element 50 beeinflußt. Das Element 50, das aus einer magnetostrikti ven Legierung - z. B. Terfenol-D von Etrema Products, Inc. - be steht, erfährt unter dem Einfluß eines Magnetfeldes eine axiale Ausdehnung oder Kontraktion. Der Betrag der Ausdeh nung ist eine vorbestimmte Funktion der Intensität des Ma gnetfeldes. Die Intensität des Feldes und somit die Größe der Kraft werden durch die Größe des Aktivierungsstroms be stimmt. Die Größe des Stroms ihrerseits wird in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle 12 bestimmt, die durch das Signal über die Ausgangsleitung 38L des Drehzahlmessers 38 ange geben wird. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Kraft aufbringungs-Stabilisator 40 an der Kammer 32 befestigt.

Wenn bei Betrieb die Drehzahl der Welle 12 einen bekannten kritischen Wert erreicht, wird die elektromagnetische Spule 44 durch Aufbringung einer Axialkraft auf die Welle 12 akti viert. Da das untere Lager 26 fest angebracht ist, verändert jede Kraft, die auf das entgegengesetzte Ende der Welle 12 aufgebracht wird, die laterale Steifigkeit der Welle 12.

Durch die Veränderung der Steifigkeit der Welle 12 kann der Punkt der kritischen Drehzahl von der aktuellen Betriebs geschwindigkeit weg verlagert werden. Diese Veränderung der Steifigkeit tritt annähernd unverzögert auf. Falls es sich bei der aufgebrachten Axialkraft um eine Druckkraft handelt und deren Größe sich der Größe gemäß der Eulerschen Stab-For mel nähert, nähert sich die laterale Steifigkeit auf Null.

Bei einer alternativen Ausführungsform kann der zum Aufbrin gen der Axialkraft vorgesehene Stabilisator gemäß Fig. 2 auf mechanische Weise realisiert sein. Bei dieser Ausführungs form treibt ein Elektromotor 55 (z. B. ein Schrittmotor) ein mit diesem verbundenes Gewindeelement 57 an, das an dem Ende des oberen Abschnitts 12T der Welle 12 anliegt. Die axiale Verlagerung des Gewindeelementes 57 und somit die Größe der auf das Ende der Welle 12 einwirkenden Kraft werden in Ab hängigkeit von der Drehzahl der Welle 12 bestimmt. Vorzugs weise wird eine mechanische Kraftschraube verwendet, wie sie z. B. in einer Presse verwendet wird. Die Berechnung der zum Stabilisieren der Welle 12 erforderlichen Kraft ist eine Funktion des Drehmoments, das der Motor 55 auf die Welle 12 ausübt.

Claims

1. Drehvorrichtung mit:
einer Welle (12) mit einer Rotorbefestigungsstelle (16), die an einer vorbestimmten Position an der Welle (12) angeordnet ist und die Welle (12) in einen ersten Ab schnitt (12L) und einen zweiten Abschnitt (12T) unter teilt,
einer mit dem ersten Abschnitt (12L) der Welle (12) verbundenen Antriebsquelle (22) zum Drehen der Welle (12),
einem Drehzahlmesser (38) zum Überwachen der Drehzahl der Welle (12), und
einem mit dem zweiten Abschnitt (12T) der Welle (12) verbundenen Stabilisator (40), der in Abhängigkeit von einem Signal des Drehzahlmessers (38) eine axial ausge richtete Kraft zur Verringerung der Vibration der Welle (12) bei kritischen Drehzahlen auf die Welle (12) aus übt.

2. Drehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisator (40) eine magnetostriktive Vorrich tung (44,50) aufweist, die betriebsmäßig mit einem Ende des zweiten Abschnitts (12T) der Welle (12) verbunden ist.

3. Drehvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die magnetostriktive Vorrichtung eine elektrische Spule (44) aufweist, die um ein magneto striktives Element (50) herum angeordnet ist.

4. Drehvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spule (44) ein Magnetfeld um das magnetostriktives Element (50) herum erzeugt, wenn der elektrischen Spule (44) ein Aktivierungsstrom zugeführt wird.

5. Drehvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei der Erzeugung des Magnetfeldes durch die elektrische Spule (44) das magnetostriktive Element (50) axial ausdehnt.

6. Drehvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei der Erzeugung des Magnetfeldes durch die elektrische Spule (44) das magnetostriktive Element (50) axial zusammenzieht.

7. Drehvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisator (40) eine motorgetriebene Gewinde vorrichtung (57) aufweist, die betriebsmäßig mit dem Ende des zweiten Abschnitts (12T) der Welle (12) ver bunden ist.

8. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß der Stabilisator (40) eine axiale Druckkraft auf die Welle (12) ausübt.

9. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß der Stabilisator (40) eine axiale Zugkraft auf die Welle (12) ausübt.

10. Drehvorrichtung mit
einer Drehwelle (12) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende,
einem mit dem ersten Ende der Welle (12) verbundenen Motor zum Drehen der Welle (12),
einem magnetostriktiven Element (50), das in der Lage ist, das zweite Ende der Welle (12) zu kontaktieren,
einer das magnetostriktive Element (50) umgebenden elektrische Spule (44), und
einem mit der Welle (12) verbundenen Drehzahlmesser (38)
wobei, wenn der Drehzahlmesser (38) anzeigt, daß sich die Welle (12) einer kritischen Drehzahl nähert, ein elektrischer Strom durch die elektrische Spule (44) geschickt wird und dadurch ein ausreichendes Magnetfeld erzeugt wird, aufgrund dessen das magnetostriktive Ele ment (50) axial verformt wird und eine axiale Stabili sierungskraft auf die Drehwelle (12) ausübt.

11. Drehvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß aufgrund des Magnetfeldes das magnetostriktive Element (50) in Längsrichtung gedehnt wird und gegen die Drehwelle (12) drückt.

12. Drehvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge kennzeichnet, daß das magnetostriktive Element (50) mit der Drehwelle (12) verbunden ist.

13. Drehvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß aufgrund des Magnetfeldes das magnetostriktive Element (50) verkürzt wird und eine Zugkraft auf die Drehwelle (12) ausübt.

14. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rotor (14) um die Dreh welle (12) herum angeordnet ist.

15. Drehvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich net, daß der Rotor (14) in Längsrichtung der Drehwelle (12) in der Mitte angeordnet ist.

16. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende der Drehwel le (12) in einer nichtmagnetischen Buchse (46) gelagert ist.

17. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, ge kennzeichnet durch einen Rahmen (30), durch den die Drehwelle (12) verläuft.

18. Drehvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, daß der Rahmen (30) mindestens ein Isolatorelement (34) zur Minimierung von Vibrationsübertragung aufweist.

19. Drehvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß das erste Ende der Drehwelle (12) in einem festgelegten Lager (26) gehalten ist.

20. Zentrifuge mit
einer Drehwelle (12) mit zwei Enden,
einem um die Drehwelle (12) herum angeordneten Rotor (14), und
einer Vorrichtung (40) zum Aufbringen einer Axialkraft auf mindestens ein Ende der Drehwelle (12), um während mindestens einer kritischen Drehzahl, die die Drehwelle (12) durchläuft, die Vibration der Drehwelle (12) zu verringern.