DE610293C

DE610293C - Daempfer fuer an Wellen auftretende Drehschwingungen, bei denen den Schwingungen durch einen auf der Welle befestigten Rotor mit Magnet- oder Trommelwicklungen entgegengewirkt wird

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Publication number: DE610293C
Application number: DEE44117D
Authority: DE
Original assignee: KURT EISENMANN DR
Current assignee: KURT EISENMANN DR
Priority date: 1933-04-02
Filing date: 1933-04-02
Publication date: 1935-03-08

Description

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I S^lPR. 1935

AUSGEGEBEN AlB
8. MÄRZ 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 47h GRLTPE "2 ti

Dr. Kurt Eisenmann in Braunschweig

entgegengewirkt wird
Patentiert'im Deutschen Reiche vom 2. April 1933 ab

Bekannt sind mechanische Schwingungsdämpfer für Drehschwingungen, die mittels ^ einer Schwungmasse die Eigenschwingungsenergie der Hauptwelle aufnehmen und durch Werkstoiidämpfung oder äußere Reibung in Wärme umwandeln. Bekannt sind auch Einrichtungen, l)ci denen auf der Welle ein mit Drahtwicklungen versehener Anker in einem Magnetfeld umläuft, so daß bei Drehschwingungen der Welle zusätzliche Induktionswirkungen eintreten.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Schwingungsdämpfer, bei dem den Drehschwingungen durch einen auf der Welle befestigten Rotor mit Magnet- oder Trommelwicklungen entgegengewirkt wird; der Rotor arbeitet zusammen mit einem zweiten Teil, der mit Stator bezeichnet werde, obgleich er keineswegs stets ortsfest angebracht werden soll. Dieser Stator weist ein Drehfeld auf, das nur durch die Drehschwingungen von der Phase des Rotors abweicht, wenn man von sehr kleinen konstanten Abweichungen infolge von Reibungswiderständen absieht. Die Drehschwingungsenergie wird in elektrische Energie umgesetzt und nach außen abgeleitet, während ohne Drehschwingungen die Welle in keiner Weise beeinflußt wird. Bei den Drehschwingungen wirken Rotor und Stator zusammen wie ein Stromgenerator, der elektrischen Strom erzeugt; der einzige Unterschied gegenüber einem gewöhnlichen Generator besteht darin, daß bei einem gewöhnlichen Generator der elektrische Strom ■ durch eine kontinuierliche Drehung des Rotors erzeugt wird, während liier der elektrische Strom durch relativ pendelnde Bewegungen des Rotors gegenüber dem Stator erzeugt wird, sobald Eigenschwingungen der Welle auftreten, wobei der Begriff sowie Schaltung und Anordnung von Stator und Rotor ohne weiteres miteinander vertauscht werden können. Es können also bei geeigneter Konimutation sämtliche Anordnungen und Schaltungen, wie sie bei gewöhnlichen Generatoren getroffen werden, hier angewendet werden, da der durch irgendeine Schaltung" erzeugte Strom stets eine starke Dämpfung auf die Eigenschwingungen der Welle ausüben muß; auch ist es völlig belanglos, ob man als Vorbild des Generators irgendeine Glcichstrom- oder Wechselstrommaschine wählt. Jeder dieser Generatoren kann als Dämpfungsgencrator im Sinne der Erfindung benutzt werden.

Der Dämpfer kann so ausgeführt werden, daß der Stator mit Schwungmassen versehen und lose drehbar ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß große Relativbcwcgungen des Stators gegenüber dem Rotor starke Dämpfungen hervorbringen, ohne daß Welle und Rotor durch starke Schwingungen gefährdet werden. Der Stator wird entweder auf einer Hohlwelle, durch die die Haupt welle hindurchgeht, rotierbar angebracht oder durch Kugellager auf der Hauptwelle gelagert !.Abb. i).

Ferner kann der Stator nicht nur auf derselben Achse wie bei der Hauptwelle und da-

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mit im gleichen Sinne wie der Rotor umlaufen, sondern auch auf einer besonderen Achse parallel (auch schief oder rechtwinklig) zur Hauptachse und gegenläufig zum Rotor. Um ein seitliches Ausweichen der Hauptwelle infolge magnetischer Kräfte zu vermeiden, ist es zweckmäßig, zwei parallele Xcbenwellen oder vier oder sechs mit Statoren symmetrisch zur Hauptachse anzuordnen, to Zur Verstärkung der Dämpfung kann man eine Kupferscheibe oder ein gleichwertiges Metall, die entweder mit Stator oder mit Rotor' verbunden ist, so zwischen den Magneten von Stator und Rotor anbringen, daß bei Eigenschwingungen der Welle sog. Foucaultsche Ströme entstehen, die für sich eine Dämpfung erzeugen.

Der auf der Welle lose drehbare Stator muß nun bei diesen Ausführungen stets mitgeführt werden, und zwar so, daß keine merkliche Phasenverschiebung des Statordrehfeldes eintritt. Dies kann durch eine elektromagnetische Kupplung geschehen, die so lange wirksam bleibt, wie der Erregerstrom derElektromagnete nicht unterbrochen wird. Man kann diese elektromagnetische Kupplung und die elektromagnetische Dämpfungseinrichtung getrennt anordnen oder auch zusammen kombinieren.

Der Stator kann nicht nur elektromagnetisch gekuppelt, sondern auch direkt durch Federkupplung, etwa durch Blattfedern, mit der Hauptwelle verbunden werden. Die Werkstoffdämpfung, die bei Blattfedern sehr gering ist, kann hier vollständig entbehrt werden, da die Dämpfung der Eigenschwingungen durch die Umwandlung der Schwingungsenergie in elektromagnetische bei Stromerzeugung erfolgt. Trotzdem kann man - zur Unterstützung der Dämpfung statt der Blattfedern einen geeigneten dämpfungsfähigen Werkstoff, etwa eine Gummischeibe, anwen-■ den, um den Stator mit der Welle zu verbinden, so daß die Schwingungsenergie teils von der Werkstoffdämpfung des Gummis, teils von der elektromagnetischen Energie verzehrt wird.

Um ein Beispiel zu geben, wird in Abb. 1 eine mit Elektromagneten montierte Scheibe, . der Rotor R, auf die Hauptwelle aufgekeilt. Ihm gegenüber wird der Stator 5 durch Kugellager auf der Welle gelagert, so daß die Welle ohne Betätigung der Elektromagnete sich unter ihm wegdreht. Sobald jedoch die sich gegenüberstehenden Elektromagnete durch Schließung eines Ortsstroms / betätigt werden, wird der stets mit der Welle sich drehende Rotor den Stator mitführen, bei Öffnung des Stromes jedoch frei lassen. Die Eisenkerne fio von Stator und Rotor sind einzeln oder zusammen mit Induktionsspulen umgeben, welche zu einem Stromleiter/' zusammengeschlossen werden, der über einen Widerstand W geleitet wird. Dieser sekundäre Stromkreis /' bleibt so lange stromlos, wie keine relativen Bcwegungen zwischen Stator und Rotor auftreten. Entstehen aber Torsionsschwingungen der Welle um ihre Achse, so schwingt der mit der Welle unmittelbar verbundene Rotor mit der Welle, der elektromagnetisch mitgeführte Stator aber nur mittelbar durch elektromagnetische Kraftübertragung; es müssen daher Schwingungen ■ und zugleich relative Bewegungen zwischen Stator und Rotor entstehen, die sich den regulären Drehungen überlagern. Infolge der hierdurch eintretenden Änderung des elektromagnetischen Feldes oder infolge Scheidens der Kraftlinien des elektromagnetischen Feldes .durch Stromleiter bei anderer Anordnung wird in den Stromkreis /' ein elektrischer 8υ Strom induziert, der durch den Widerstand W oder auf andere geeignete Art vernichtet wird. Es ist ersichtlich," daß durch die hierbei auftretende starke Dämpfung die Eigenschwingungen der Welle verzehrt werden, ohne daß eine starke Erwärmung in Stator und Rotor auftreten kann.

Um mit kleiner Masse des Stators eine starke dämpfende Wirkung auszuüben, kann man die Stärke des Erregerstromes bzw. des Ortsstromes der elektromagnetischen Kupplung so einregulieren, daß man sich der Resonanz zwischen Wellenschwingung und Schwingung des Stators in einem gewünschten Grade nähert, wobei natürlich auch volle Resonanz angesetzt werden kann; die Schwingungsamplituden des Stators werden um so größer, je mehr man sich dem Zustande der Resonanz nähert, und um so größer wird auch die dämpfende Kraft infolge Stromerzeugung nach dem Generatorprinzip. Die Art dieser durch Elektromagnetismus erzeugten Schwingungen weicht unter Umständen stark von den Schwingungen ab, die man als Federschwingungen bezeichnen kann, wobei man allerdings den Charakter der Schwingungen durch verschiedene Anordnung der Elektromagnete sehr ändern kann. Man könnte z. B. immer je zwei von den Magneten des Rotors zu einem Hufeisenmagneten zusammenfassen, zwischen denen bei Drehschwingungen der Welle die Eisenkerne des Stators pendeln; auch könnte man die Eisenkerne groß genug machen, so daß das magnetische Feld für die Schwingungen als konstant anzusehen ist. Bei anderer Ausführung folgen die Elektromagnete des Rotors abwechselnd positiv und negativ (Xord- und Südpol) aufeinander, während die Elektromagnete des Stators dem Rotor zugekehrt stets dasselbe Vorzeichen Ix-sitzen, und zwar so geordnet, daß auf drei Magnete des Rotors nur ein Magnet des Sta-

tors kommt. Ist ein solcher Magnet des Stators ein Nordpol, so wird er von einem Südpol des Rotors festgehalten und kann Schwingungen zwischen den beiden dem Südpol benachbarten abstoßenden Nordpolen des Rotors ausführen. Ändert man die Stromstärke des Orts- oder Erregerstromes oder schaltet Elektromagneten von Stator und Rotor ein oder ab, so kann man die Resonanznähe ändern. Der große Vorteil gegenüber mechanischen Dämpfern, die das Resonanzprinzip benutzen, besteht darin, daß man keineswegs an die genaue Resonanz gebunden ist, sondern beliebig weit von der Resonanz entfernt bleiben kann, wenn sich z. B. zu große Wärmeentwicklung zeigen sollte. Ferner kann die Einregulierung auf Resonanz beliebig genau während des Betriebes eingestellt und auch wieder beseitigt werden einfach durch Regulierung eines Stromwiderstandes, während die Einstellung eines mechanischen Resonators eine sehr schwierige und zeitraubende einmalige Einstellung erfordert, . die möglichst nicht wieder geändert werden darf. Für diese mechanischen Resonatoren ist es ferner nicht möglich, sämtliche Eigenschwingungen einer Welle, die bei steigender Drehzahl durchlaufen werden, genügend stark abzudämpfen, so daß man Sperrgebiete einlegen muß, die die Welle nur kurze Zeit durchlaufen darf. Bei der vorliegenden Erfindung ist es ohne weiteres möglich, sämtliche !eigenschwingungen der Welle mit gleicher Dämpfungsstärke abzudämpfen, indem man durch Änderung des die Elektromagnet« durchfließenden Orts- oder Erregerstromes oder durch Änderung der Zahl der wirksamen Elektromagneten die Schwingungszahl des Schwingungsgebildes Stator-Rotor verändert und den jeweiligen Drehschwingungen der Welle anpaßt.

Es kann dies z. B. so geschehen, daß man den Drehzahlstellhebel automatisch verbindet mit den Strom widerständen VV₁, W₂, W₃, so daß bei den verschiedenen Drehschwingungen der Welle //,_, H₂, n₃ die Stromstärken J₁, J₂, J₃ c in reguliert werden, die in einem solchen Verhältnis zueinander stehen, daß bei jeder der bezeichneten Stromstärken für die zugehörige Drehzahl Resonanz besteht. Ein besonderer Widerstand W₁ der nicht wie die anderen fest eingestellt ist, stellt entweder volle Stromstärke ein, wobei durch den Drchzahlstellhebel die Stromstärken J₁, J₂, /₃ und damit volle Resonanz für alle Drehzahlen erreicht werden, oder nicht volle Stromstärke, wodurch man sich beliebig vom Zustande der Resonanz entfernen kann (Abb. 2).

Erteilt man dem Stator eine größere Masse, so wirkt er wie ein Schwungrad. Bei Änderung dor Drehzahl muß man daher den Stator als Schwungrad mit der Welle beliebig kuppeln und entkuppeln können, was ohne weiteres nur auf elektrischem Wege möglich ist. Kuppelt man nämlich Welle, Rotor und Stator elektromagnetisch, so kann man den Nachteil, daß bei schneller Änderung der Drehzahl die Welle durch Torsionsspannungen beansprucht würde, dadurch vermeiden, daß man den Drehzahlschaltheber derart mit einer Blockicrung versieht, daß der Hebel nur bewegt werden kann, wenn beim Lösen der Blockierung der die Elektromagnete speisende Ortsstrom unterbrochen wird, so daß beim Verstellen des Hebels Stator und Rotor stromlos werden, dadurch der Stator seine elektromagnetische Kupplung verliert und unabhängig von der Welle läuft. Sobald der Verstellhebel die für die Drehzahl erforderliche Lage erreicht hat, wird die Blockierung durch Federkraft selbständig eingeschaltet und der Ortsstrom wieder geschlossen, der jetzt mittels automatischen Anlassers den Stator wieder auf die Drehzahl der Welle bringt.

Das Erfindungsprinzip läßt sich auch durchführen, wenn man den Stator vollkommen von der umlaufenden Welle trennt, so daß er und seine Magneten fest und unbeweglich, dem mit der Welle. rotierenden Rotor gegenüber lagern. Wählt man jetzt Anordnung und Schaltung von Stator und Rotor derart, wie sie für Ständer und Läufer bei gewöhnlichen Elektromotoren üblich sind, die in eine Dynamomaschine umkehrbar während des Betriebes eine Bremswirkung ausüben können, und betreibt sie als Elektromotor, so werden die bei Eigenschwingungen der Welle sich überlagernden Torsionsschwingungen gedämpft werden, und zwar die zurückbleibende Phase durch die elektromotorische Kraft und die voreilende durch die Stromerzeugung. Um eine Bremsung der normalen Drehbewegung der Welle durch den Elektromotor bzw. einen zusätzlichen Antrieb zu vermeiden, ist es notwendig, die Tourenzahl des Elektromotors gcnau auf die Tourenzahl der Welle abzustimmen. Es kann dies in üblicher Weise etwa durch Regulierung von Läuferstrom und Kraftfeld geschehen, indem man die Widerstände dieser Regulierung zwangsläufig kop- im pelt mit dem Drchzahlstcllhebel des Antriebsmotors der Welle. Diese Regulierwiderstände kann man auf einfache Art so abstimmen, daß der Elektromotor und die Welle stets genau dieselbe Tourenzahl machen (Abb. 2).

Beispielsweise sind besonders geeignet der Nebenschlußmotor, die Lconardschaltung usw.; aber auch Wechselstrom- und Drehstrommotoren sind ohne weiteres anwendbar wie Drehstromsynchronmotor und Asynchronmotoren.

Als besondere Ausführung eines solchen

Claims

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Scliwingungsdämpfers nach dem Motordämpfungsprinzip werde der folgende beschrieben. An irgendeiner Stelle der Hauptwelle oder des Getriebes, die frei oder nahezu frei von Drehschwingungen bleibt, bzw. an einer besonderen vom Triebmotor der Hauptwelle getriebenen oder mit ihr im Takt laufenden Nebenwelle wird ein Kommutator so angebracht, daß ein elektrischer Ortsstrom nacheinander im Umlaufsinne und mit der Drehgeschwindigkeit der Welle die verschiedenen Elektromagnete des ortsfesten Stators magnetisiert, so daß das Drehfeld dieses Stators ohne Phasenverschiebung gegenüber dem Rotor bleibt und weder elektromotorische Gegenkraft noch Stromerzeugung eintritt, solange Torsionsschwingungen nicht auftreten. Erst bei Eigenschwingungen der Welle wird die "elektromagnetische Dämpfung wirksam; denn auch bei Drehschwingungen der Welle werden die Elektromagnete des Stators frei von diesen Drehschwingungen, also im fehlerfreien Umlauf magnetisiert, während die Drehung des Rotors durch die Eigenschwingungen beeinflußt wird. Es ist ersichtlich, daß man diesen Schwingungsdämpfer leicht als einen Wechselstromsynchronmotor ausführen kann.

Eine besondere Ausführung wird durch die Anwendung des Siemcnsschen Dynamoprinzips erhalten, indem die durch die Drehschwingungen der WeUe erzeugten Induktionsströme vermittels einer Gleichschalterverstärkungs- und Kommutatoranlage, wobei ohne weiteres Gitterröhren mit durch die Induktionsströme beeinflußten Gittern verwendet werden können, das Feld zwischen Stator und Rotor ändern, verstärken bzw. die elektromagnetische Kraft der Elektromagnete von Stator und Rotor erst erzeugen. Werden diese Elektromagnete durch die erzeugten Induktionsströme verstärkt, so kann sich das elektromagnetisch betätigte. Schwingungssystem Stator-Rotor wie folgt auf Resonanz mit den Drehschwingungcn der Welle selbständig einstellen.

Sind die elektromagnetisch betätigten Schwingungen zunächst gegenüber den Drehschwingungcn der Welle zu langsam, so müssen sie durch die verstärkenden Induktionsströme und der damit erzeugten stärkeren elektromagnetischen Kraft immer schneller werden, bis die Resonanz mit den Drehschwingungcn erreicht ist, '.wobei die Schwingungsamplituden des Stator-Rotor-Systems zugleich mit der Resonanzannäherung wachsen. Werden die Schwingungen des Stiitor-Rotor-Systems gegenüber den Drehschwingungen zu schnell, so werden die Amplituden und zugleich die Iiuluktionsströnie schwächer und damit zugleich die elektromagnetisch betätigten Schwingungen wieder langsamer, so daß diese Schwingungen sich stets selbsttätig auf Resonanz mit den Drehschwingungen der Welle einstellen müssen. Bei dieser Anordnung kann der Erregerstrom wie bisher angeordnet oder auch fortgelassen werden.

In Abb. 3 ist als Beispiel einer solchen Dynamoausführung das Schaltungsschcma dargestellt worden. Der Stromkreis / führt über die Elektromagnete E_s und E_r von Stator und Rotor dann über die Schleifkontakte 3 und 4 des Rotors von hier über zwei Abnehmerbürsten ι und 2 des Stators und weiter nach den Gleichrichterröhren O₁, G... Ο_Λ, G±, durch die der Stromkreis geschlossen wird; parallel zu diesem Stromkreis ist die Spule S' des Stators geschaltet, die von den Elektromagneten E_r des Rotors induziert wird und mit diesem bei Torsionsschwingungen der Welle einen Stromgenerator bildet, so daß von den Enden dieser Spule 5' ein Wechselstrom ausgeht, der aber durch die Gleichrichteranlage stets in einer Richtung durch den Stromkreis/ und damit durch die Elektromagnete E_r des Rotors fließen muß. Da die Elektromagnete E, des Rotors die Magnete f., des Stators anziehen, wird der Stator durch den Rotor infolge elektromagnetischer Kupplung mitgeführt, wobei sie aber auch bei Drehschwingungen der Welle als schwingungsfähiges Gebilde wirken. Bewegt sich nun infolge der Eigenschwingungen der Welle der Rotor mit dem Elektromagneten £V relativ nach rechts oder links gegen den Stator mit den Spulen S' und den Kernen E_s, so wird in 5' ein Induktionsstrom erzeugt, der durch die Gleichrichtcranlage hindurch stets den Strom/, der durch E_r hindurch fließt, verstärkt, und zwar so lange, bis Resonanz mit den Drehschwingungcn der Welle eingetreten ist. Die Anlage stellt sich somit automatisch auf Resonanz ein, auch ohne jeden Erregerstrom, der natürlich auch noch hinzugefügt werden kann.

Es mag bemerkt werden, daß durch die Einordnung der vier Gleichrichter in den Wechselstrom eines Stators jeder gewöhnliche Wechselstromgenerator vermittels des Siemensschen Dynamoprinzips betätigt werden kann.

1'λ r ic ν τ λ ν S i' it ü c Ii κ:

i. Dämpfer für an Wellen auftretende Drehschwingungen, hei denen den Schwingungen durch einen auf der Welle befestigten Rotor mit Magnet- oder Troinmclwicklungcn entgegengewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Rotor zusammenarbeitende. Teil (Stator)

ein Drehfeld aufweist, das nur durch die Drehschwingungen von der Phase des Rotors abweicht.
2. Dämpfer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator mit Schwungmassen versehen und auf der Welle lose drehbar ist.
3. Dämpfer .nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; daß der Stator auf einer

ίο die Hauptwelle - umschließenden festen

Hohlwelle läuft.
■ _
4. Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Statoren auf zur Hauptwelle parallelen Hilfswellen sich gegenläufig zum Rotor drehen.
5. Dämpfer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stator und Rotor eine Scheibe aus Kupfer oder gleichwertigem Metall zur Erzeugung von Foucaultschen Strömen angeordnet ist.
6. Dämpfer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnahme des Stators elektromagnetisch erfolgt.
2$ 7. Dämpfer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnahme = des Stators durch Federn oder elastische Stoffe, wie Gummi, erfolgt.
S. Dämpfer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehzahlregler entsprechend den verschiedenen Eigcnschwiiigungszahlen der Welle den zugehörigen Drehzahlen entsprechende, auf Resonanzerzeugung abgestimmte. Widerstände in den Erregerstrom einschaltet, wobei ein besonderer vom Regler unabhängig zu bedienender Regulierwiderstand die Resonanz bzw. den Abstand von der Resonanz festlegt.
9. Dämpfer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Mitnahme des Stators in Abhängigkeit von der Drehzahl durch einen Regler ausgeschaltet und bei veränderter Tourenzahl weder eingeschaltet ward.
.10. Dämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator ortsfest ist, so daß Stator und Rotor wie ein auch als Dynamo arbeitender Motor mit der Drehzahl der schwingungslosen Hauptwelle wirkt, so daß die zurückbleibende Schwingungsphase durch die elektromotorische Kraft und die voreilende durch die Stromerzeugung gedämpft wird.
11. Dämpfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator das Drehfeld aufweist und dieses mittels Kommutators von einem drehschwingungsfreien Teil der Hauptwelle oder von einer mit der störungsfreien 1 Hauptwelle im Takt laufenden Hilfswelle gesteuert wird.
12. Dämpfer nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekeimzeichnet, daß die durch die Schwingungen hervorgerufenen Induktionswechselströme nach Gleichrichtung das Feld zwischen Stator und Rotor verstärken und so eine selbsttätige Abstimmung auf Resonanz hervorrufen.
13. Dämpfer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichtung durch eine Anlage von vier Gleichrichtern erfolgt.
14. Dämpfer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der gleichgerichtete Strom des Rotors durch den Ständer fließt.
15. Dämpfer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der gleichgerichtete Strom des Ständers durch den Rotor tlicßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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