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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Resonanzvorrichtung, umfassend
ein Masse-Feder-System mit einer Hauptmasse und einer Feder, wobei diese
Resonanzvorrichtung als passiver oder aktiver Schläger, der
so abgestimmt ist, dass er eine Vibration auslöscht, oder auch als Generator
von dynamischen Kräften
zum Beaufschlagen von Kräften
auf einen Aufbau verwendbar ist.
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Die
Abstimmung wird erhalten, indem die Masse und Steifigkeit der Feder
so ausgewählt
wird, dass beispielsweise die Eigenfrequenz der Anordnung aus Masse
und Feder gleich derjenigen der zu erzeugenden oder auszulöschenden
Vibration ist.
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Eine
Anpassung zwischen der Vorrichtung und der bzw. den auszulöschenden
Vibrationen bereitet eine bestimmte Anzahl von Problemen. Eines dieser
Probleme ist, dass die Abstimmfrequenz bei den bekannten Vorrichtungen
festgelegt ist und die Vorrichtung somit nur für einen Betrieb bei einer vorgegebenen
Frequenz verwendet werden kann.
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Aus
der Patentanmeldung
JP-01120453 ist es
bekannt, durch magnetische Anziehung der zusätzlichen Massen den Wert der
Hauptmasse zu variieren. Aus der Patentanmeldung
EP 676 559 ist es bekannt, den Wert
der Hauptmasse durch Variieren der Menge eines Fluids in einem Hohlraum
zu variieren. Diese Vorrichtungen sind nicht für eine Vorrichtung wie etwa
einen Schläger
geeignet, der Vibrationen unterworfen ist, deren Intensität erhöht sein kann.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Regulierung der Frequenz
einer Resonanzvorrichtung wie eines aktiven oder passiven Schlägers zu
ermöglichen.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung eine aktive oder passive Resonanzvorrichtung
gemäß der Definition
in Anspruch 1.
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Die
Vorrichtung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass sie wenigstens
eine elektromagnetische Anordnung umfasst, die zwei komplementäre Vorrichtungen
umfasst, von denen die erste wenigstens ein elektromagnetisches
Teil und von denen die zweite wenigstens einen Elektromagneten aufweist, wobei
eine der beiden komplementären
Vorrichtungen mit der Hauptmasse und die andere komplementäre Vorrichtung
mit einer zusätzlichen
Masse verbunden ist, wobei die beiden Vorrichtungen einander gegenüber auf
eine solche Weise angeordnet sind, dass wenn einer der Elektromagneten
aktiviert wird, zwei komplementäre
Vorrichtungen mechanisch derart aneinander haften, dass die Hauptmasse
und die zusätzliche
Masse verbunden sind.
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Wenigstens
ein elektromagnetisches Teil kann beispielsweise elastisch mit der
Hauptmasse verbunden sein, wobei dann zumindest ein Elektromagnet
mit der zusätzlichen
Masse verbunden ist. Die elastische Verbindung, die beispielsweise
durch eine flexible Klinge zustande kommt, kann einen elastischen
Freiheitsgrad in einer zu einer Hauptrichtung der Schwingungen der
Hauptmasse, z.B. der Richtung der Erzeugung von Kräften, im
Wesentlichen senkrechten Richtung aufweisen.
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Die
Vorrichtung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass eine erste komplementäre Vorrichtung zwei
elektromagnetische Teile aufweist, die voneinander getrennt sind
und an der flexiblen Klinge anhaften, und dass eine zweite komplementäre Vorrichtung
zwei Elektromagneten umfasst, die den beiden elektromagnetischen
Teilen gegenüber
angeordnet sind. Die beiden Elektromagneten können an mindestens einem Verbindungsstück anhaften.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich noch deutlicher
bei der Lektüre
der nachfolgenden Beschreibung, die beispielhaft und nicht-einschränkend gegeben
wird, in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung. Es zeigt:
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1 eine
Vorrichtung mit einem Masse-Feder-System, das im Rahmen der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann;
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2 eine
bevorzugte Ausführungsweise hinsichtlich
des ersten Aspekts der Erfindung, die auch im Rahmen des zweiten
Aspekts der Erfindung verwendbar ist;
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3 eine
Seitenansicht der Vorrichtung von 2;
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4 eine
bevorzugte Ausführungsweise
eines Zusatzmassenmoduls;
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5 eine
Vorrichtung mit ferromagnetischer Masse, die zum Verbinden einer
zusätzlichen Masse
verwendbar ist;
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6 eine
Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt
der Erfindung, deren Ansprechkurven in 7 dargestellt
sind.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst ein Massenelement 1 mit
einer Masse m3, das im Falle eines aktiven Schlägers einen elektrodynamischen
Generator oder einen Generator mit variabler Reluktanz beinhaltet.
Eine an dem Element 1 befestigte Platte 5 trägt an ihren
Enden zwei Federn 3, die dem solcherart aufgebauten Masse- Feder-System eine
Steifigkeit K3 verleihen. Diese beiden Federn 3 ruhen auf
zylindrischen Klötzen 31,
die von einem Sockel 2 getragen sind, welcher mit einem
Aufbau verbunden ist, dessen Vibrationen ausgelöscht werden sollen oder dem
Vibrationen mitgeteilt werden sollen.
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Im
oberen Teil trägt
die Platte 5 einen Aufsatz 6, an dessen Enden
die Teilstücke 81 von
zwei Federn 8 befestigt sind, welche zwei entgegengesetzte, durch
einen Schlitz 82 getrennte und durch die Sektoren 85 miteinander
verbundene Teilstücke 81 und 83 aufweisen.
Im unteren Teil weist das Element 1 einen Sockel 7 auf,
an dessen unterem Teil eine Plattform 6 montiert ist, an
deren Enden die Teilstücke 91 von
zwei Federn 9 befestigt sind, die den Federn 58 ähnlich sind
und zwei entgegengesetzte, durch einen Schlitz 92 getrennte
und durch Sektoren 95 verbundene Teilstücke 91 und 93 aufweisen.
Die Teilstücke 83 und 93 der
Federn 8 und 9 sind fest mit Ständern 84 verbunden,
die senkrecht zur Ebene des Sockels 2 stehen und mit diesem
fest verbunden sind. Indem die Plattformen 6 fest mit der
Platte 5 und dem Sockel 7 verbunden sind, ermöglichen
die Federn 8 und 9 ein Zentrieren der Anordnung
aus Masse 1 und Feder 3 bei ihren Auslenkungen
senkrecht zur Ebene des Sockels 2.
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Die
Ständer 84 können zum
Anordnen zusätzlicher
Massen verwendet werden, die mit der Hauptmasse 1 verbunden
oder auch von dieser abgekoppelt sein können, um die dynamische Masse des
Schlägers
zu variieren und somit dessen Resonanzbedingungen zu verändern.
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Gemäß der Darstellung
in 4 weist ein Zusatzmassenmodul 10 zum
Hinzufügen
einer Masse m4 zur Hauptmasse m3 zwei Elektromagneten 102 auf,
die an den beiden Enden des Verbindungsteilstücks 110 und 111 montiert
sind, mit einer Aussparung bei 112 für den Durchtritt eines Ständers 84. Federn 115 mit
Teilstücken 116 bilden
eine zickzackförmige
Bahn und sind durch Schlitze 117 getrennt, die sich von
entgegengesetzten Rändern 113 und 119 aus
erstrecken. Diese Federn 115 dienen zur Aufhängung und
Führung
der Masse m4, die aus den beiden Elektromagneten 102 und
den Verbindungsstücken 110 und 111 besteht.
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Jede
Feder 115 ist an zwei Paaren von Stangen 101 und 103 montiert.
Die Stangen 101 sind fest mit einer ortsfesten Plattform 120 verbunden,
die mittels ihrer Öffnung 125 fest
mit dem Ständer 84 verbunden
ist. Die Stangen 103, die den Stangen 101 entgegengesetzt
montiert sind, sind fest mit dem entsprechenden Elektromagneten 102 verbunden.
Für jeden
Elektromagneten sind jeweils ein oberes und ein unteres Paar von Stangen 101,
und jeweils ein oberes und unteres Paar von Stangen 103 vorhanden.
Auf diese Weise wird ein Freiheitsgrad parallel zur Verschiebungsrichtung
des Elements 11, d.h. senkrecht zur Ebene des Sockels 2,
erhalten.
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5 zeigt
die Vorrichtung 20, die ein Verbinden der zusätzlichen
Masse m4 (Bezugszeichen 10) mit der Hauptmasse 3 ermöglicht.
Sie umfasst zwei ferromagnetische, z.B. geschichtete Massen 204,
die am Ende einer biegsamen Klinge 201 montiert sind, welche
an ihren Öffnungen 202 an
einer Seitenfläche
des Sockels 7 befestigt ist. Diese biegsame Klinge besitzt
eine hohe Steifigkeit in der Verschiebungsrichtung der Masse 1 des
Schläger,
d.h. in der Richtung der zu erzeugenden oder zu dämpfenden
Vibration, jedoch eine viel geringere Steifigkeit in der zu dieser
Verschiebungsrichtung senkrechten Ebene.
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Gemäß der Darstellung
in 2 liegen die ferromagnetischen Massen 204 den
Elektromagneten 102 gegenüber. Auf diese Weise schließen die Magnetkreise
der Elektromagneten 102 die magnetischen Massen 204 ein.
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Das
Verbinden findet auf die folgende Weise statt: Die Aktivierung der
Elektromagneten 102 ruft die Anlage der Massen 204 an
der Oberfläche
der Elektromagneten 102 und somit eine mechanische Verbindung
bzw. Ankopplung der zusätzlichen
Masse hervor. Da sich der Sockel 7 gemeinsam mit der Hauptmasse
verschiebt, wird die zusätzliche
Masse ebenfalls in einer Bewegung parallel zur Achse der Ständer 84 angetrieben,
was durch den Aufhängungseffekt
ermöglicht
wird, der von den klingenförmigen
Federn 115 zur Verfügung
gestellt wird.
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Wenn
die Elektromagneten 102 deaktiviert werden, rücken die
Massen 204 von den Elektromagneten 102 ab, und
die zusätzliche
Masse wird von der Hauptmasse abgekoppelt.
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Die
Ausführungsweise
der 2 bis 5 ermöglicht die Verwirklichung einer
Variation der Masse des Schlägers
durch Ankoppeln von einer oder mehreren zusätzlicher Massen mit genau festgelegten
Werten, wodurch es ermöglicht
wird, die Frequenz des Schlägers
zu ändern,
um Vibrationen mit veränderlicher
Frequenz zu behandeln.
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Bei
dem dargestellten Beispiel werden die vier Elektromagneten gleichzeitig
erregt, um die beiden Module 10 des Hauptelements 1 zu
verbinden.
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Hierdurch
ist es möglich,
die gewünschte
Anzahl von Massen hinzuzufügen
und dem Schläger ebenso
viele neue Abstimmfrequenzen zu verleihen.
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Die
Befestigung der zusätzlichen
Massen ermöglicht:
- – einerseits,
sofern sie nicht mit der Hauptmasse verbunden sind, dass sie ihre
Position gegenüber von
der mit der Masse des Schlägers
verbundenen biegsamen Klinge beibehalten, und zwar über die
gesamte Auslenkung des Schlägers,
- – andererseits,
dass sie der Bewegung der Hauptmasse auf verbundene Weise folgen.
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Dieses
Resultat wird mithilfe der klingenförmigen Federn 115 erhalten,
die in der zur Bewegungsrichtung des Schlägers senkrechten Ebene ausreichend
steif sind, um ihre Bewegung in dieser Ebene zu verhindern, und
in der Bewegungsrichtung des Schlägers ausreichend nachgiebig
sind, um diesen in seinen Verschiebungen zu begleiten, wobei die
Nachgiebigkeit derart festgelegt ist, dass mit der neuen Masse und
den vorherigen Eigenschaften des Schlägers seine neue Abstimmung
verwirklicht wird. Die Steifigkeit dieser Klingen kann durch diejenige von
Federn ergänzt
werden, die parallel mit ihnen wirken, um die neue Abstimmung zu
verwirklichen (was den Effekt hat, als würde an den anfänglichen Schläger ein
neuer, parallel angeordneter Schläger angeschlossen).
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Die
beschriebene Vorrichtung ermöglicht
die Erzeugung von starken niederfrequenten, dynamischen Kräften gemäß einer
Vorgabe für
ein Elektronikgehäuse.
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Die
Kraft wird mittels Trägheit
erzeugt, d.h. unter Anwendung des Prinzips von Aktion und Reaktion,
das für
eine kraftangeregte Masse gilt. Die Masse besteht aus der Masse
des Generatorkörpers.
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Die
Erfindung kann mithilfe eines in der Hauptmasse 1 enthaltenen
Generators mit variabler Reluktanz und dessen Ansteuerung über einen
numerischen Rechner verwirklicht werden, dessen Algorithmus auf
an sich bekannte Weise seine Kraft-Verschiebungs-Kennlinie linearisiert,
und zwar sowohl als Kräftegenerator
als auch Masse in einem Masse-Feder-System, um starke niederfrequente Kräfte in einen
Aufbau einzubringen.
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Falls
eine Kraft auf einen beliebigen Aufbau S ohne Abstützung an
einem weiteren Aufbau erzeugt werden soll, besteht das grundlegende
Prinzip in der Abstützung
an einer Reaktionsmasse m2. Die zwischen dem Aufbau und der Masse
m2 erzeugte magnetische Kraft U verursacht eine Kraft Ft im Aufbau
S. Diese Kraft steht in Zusammenhang mit U durch die Beziehung Ft
= H·U,
wobei H eine Übertragungsfunktion
ist, die durch die Charakteristiken der Montage des Generators bedingt
ist: H(p) = m2p2/(m2p2 + K2)wobei
- P
- die Laplace'sche Variable ist
- K2
- die Steifigkeit der
elastischen Verbindung zwischen der Masse m2 und dem Aufbau S bezeichnet.
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Allgemein
ausgedrückt
besteht die Masse m2 aus der beweglichen Masse eines elektromagnetischen
Generators (mit variabler Reluktanz) oder eines elektrodynamischen
Generators.
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Die
Masse m2 und die elastische Verbindung mit einer Steifigkeit K2
stellt ein schwingendes mechanisches System dar, dessen Verstärkung bei
Resonanz innerhalb der Grenzen der zulässigen Auslenkungen genutzt
werden kann.
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Diese
Vorgehensweise wird gegenwärtig
bei elektrodynamischen Generatoren (in ein Konstantfeld eintauchenden
Spulen) angewendet.
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Dennoch
ist diese Vorgehensweise, die elektrodynamische Generatoren verwendet,
schwierig anzuwenden, wenn erhöhte
Kräfte
Ft (von typischerweise mehr als 1 kN) übertragen werden sollen, da sie
zu einer Masse und einem Raumbedarf der Permanentmagneten für die Erzeugung
des Magnetfeldes führen
würde,
die nicht annehmbar sind.
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Die
unmittelbare Anwendung von Generatoren mit variabler Reluktanz,
die in einem dann verringerten Bauraum starke Kräften zur Verfügung stellen, ist
bei einer niedrigen Frequenz überhaupt
nicht möglich,
da deren Auslenkung durch die Notwendigkeit eingeschränkt ist,
kleine Luftspalte vorzusehen, um eine Kraft zu erzeugen.
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Die
Lösung
wird erhalten, indem ein Schwingsystem aus Masse und Feder mit einer
Frequenz nahe seiner Eigenfrequenz erregt wird. Dadurch wird der
Verstärkungs koeffizient
eines solchen Systems genutzt, ohne dass es nötig ist, eine starke anfängliche
Kraft zu erzeugen.
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Das
Montageschema (siehe 6) verwendet einen Generator,
der eine mit einer Steifigkeit K2 aufgehängte Masse m2 aufweist und
der die Masse m3 des Masse-Feder-Hilfssystems
erregt, das eine Hilfsmasse m3 und eine Steifigkeit K3 aufweist.
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Die
Masse m2 besteht aus der Hauptmasse 1, die mit einem Generator
verbunden ist, dessen bewegliche Masse sie darstellt. Die Steifigkeit
K2 ist durch die Federn 3 definiert.
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Indem
mit Z
2 die Amplitude der Bewegung der Masse
m2 bezogen auf die Masse m3 bezeichnet wird, erhält man:
Z2/U = [(m2 + m3)p2 +
K3)]/[m2·m3·p4 + (K2·m2
+ m2·K3
+ K2·m3)p2 + K2·K3]
Ft/U = –K3·m2·p2/[m2·m3·p4 + (K2·m2
+ m2·K3
+ K2·m3)p2 + k2·K3],wodurch
eine Bestimmung der drei Eigenfrequenzen f
0,
f
1 und f
2 ermöglicht wird,
die mit den Parameter der Masse und Steifigkeit gemäß der folgenden
Formel zusammenhängen:
f0 = ¼ π (m2·K2 + K2·m3 + K2·m2 – √Δ f2 = ¼ π (m2·K3 + K2·m3 + K2·m2 + √Δ Δ =
(m22·K32 – 2m2·m3·K2·K3 + 2m22·K3·K2 + K22·m32 + 2K22·m3·m2 + K22. m22)/(m2·m3). -
Diese
Formeln finden ihren Ausdruck in den in 7 dargestellten
grafischen Darstellungen mit den folgenden Werten: K3
= 2,2 × 105 N/m
m3 = 4 kg K2
= 1,518 × 106 N/m
m3 = 13,7 kg.
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Die
obere Kurve zeigt das Modul der Übertragungsfunktion
Ft/U; die mittlere Kurve zeigt das Modul der Übertragungsfunktion Z2/U; die untere Kurve zeigt die Phase der Übertragungsfunktion Z2/U.
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Die
Vorrichtung besitzt zwei Resonanzfrequenzen f0 und
f2, bei denen eine starke Verstärkung der
erzeugten Kraft vorliegt, und eine Antiresonanzfrequenz f1, die der Eigenschwingung der Massen m2 +
m3 an der Feder K3 entspricht.
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Da
niederfrequente Kräften
erzeugt werden sollen, können
die Massen und die Steifigkeiten derart reguliert werden, dass die
Resonanzfrequenz f0 oder f1 die
Arbeitsfrequenz ist.
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Wird
der Kraftgenerator mit der Frequen f0 angesteuert,
so zeigt sich, dass die Amplitude z2 sehr groß werden
kann und zur Sättigung
und sogar zur Zerstörung
der Betätigungseinrichtung
führen
kann. Hingegen ist festzustellen, dass diese Amplitude um die Antiresonanzfrequenz
f1 sehr klein wird. Im Falle eines Generators
mit variabler Reluktanz ist diese Amplitude z2 die
Variation des Luftspaltes, mit dem Ergebnis, dass somit ein kleiner
Luftspalt verwendet und folglich eine hohe erzeugte Kraft erzielt
werden kann.
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Wird
die Ansteuerung mit der Frequenz f1 vorgenommen,
so führt
der Umstand, dass eine geringe Verschiebung z2 vorliegt,
aus dem vorstehend genannten Grund zur Verwendung einer Betätigungseinrichtung
mit variabler Reluktanz. Eine mechanische Sättigung der Betätigungseinrichtung
ist also so gut wie unmöglich,
da z2 bei jeglichem U sehr gering bleibt.
Die Einschränkung
der Verwendung liegt nicht mehr in einer stets schwierig zu kontrollierenden
Resonanz begründet,
sondern in der maximal zulässigen
Stärke
durch den Generator.
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Bei
dieser Frequenz ist das Verhältnis
Ft/U stets größer als
1, weshalb es wiederum möglich
ist, die mechanische Verstärkung
zu nutzen.
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Somit
muss es erreicht werden, dass die stärkste auf den Aufbau zu übertragende
Kraft Ft bei der Frequenz f1 erzeugt wird.
Ihr Wert hängt
im Wesentlichen von der maximalen Stärke des Stroms ab, der durch
die Wicklungen des Generators mit variabler Reluktanz geleitet werden
soll.
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Um
zu gewährleisten,
dass die 3 Frequenzen f0, f1,
f2 die Beziehung f2 > f1 > f0 einhalten,
ist es erforderlich, die Massen und Steifigkeiten wie folgt zu wählen:
f1 ist gegeben als die Frequenz des gesuchten
Maximums von Ft
f2 = k·f1 mit k > 1,
idealerweise 2 < k < 4
m2 ist vorgegeben,
somit k2 ≈ m2
(2 π·f2)2 (dieser Wert
wurde im abgekoppelten Modus errechnet, was in erster Annäherung zu
einem überschätzten Ergebnis
führt,
das anschließend
manuell korrigiert werden kann).
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Damit
erhält
man K3 = (m2 + m3) (2 π·f2)2, wobei m3 eine
Masse ist, die mit der mechanischen Konstruktion zusammenhängt (Rahmen
der Betätigungseinrichtung, ½ Masse
von K3 und K2 usw.). Für eine
maximale Kraft Ft bei einer vorgegebenen Gesamtmasse ist es anzustreben,
m2 in Bezug auf (m2 + m3) zu maximieren.
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Werden
diese Beziehungen eingehalten, erhält man naturgemäß f0 < f1.
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Der
Generator ist bevorzugt von dem Typ mit variabler Reluktanz mit
einer beweglichen Hilfsmasse mit einem Wert m2, wobei die Hauptmasse
auf den Wert m3 eingestellt ist.
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Blattfedern
mit einer erhöhten
Nachgiebigkeit in der Richtung der angestrebten Vibrationen, die überdies
in den anderen Richtungen steif sind, ermöglichen eine Führung der
Masse m2. Hierzu kann eine Anbringung von dem gleichen Typ wie für die zusätzliche
Masse m4 angewendet werden.
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Es
wird jedoch angemerkt, dass ein anderer Führungstyp angewendet werden
könnte,
da die Dämpfung,
die gegebenenfalls eingebracht werden könnte, weniger problematisch
wäre als
bei einem System, das bei der Resonanz mit der Frequenz f0 arbeitet, da ja der Verstärkungskoeffizient
bei der Antiresonanzfrequenz f1 durch eine
gege benenfalls vorhandene Dämpfung
wenig geändert
wird, während
er bei der Resonanz stark geändert
wird.
