WO2007098521A1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von drehschwingungen - Google Patents

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WO2007098521A1
WO2007098521A1 PCT/AT2007/000105 AT2007000105W WO2007098521A1 WO 2007098521 A1 WO2007098521 A1 WO 2007098521A1 AT 2007000105 W AT2007000105 W AT 2007000105W WO 2007098521 A1 WO2007098521 A1 WO 2007098521A1
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shafts
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Wilfried Rossegger
Karl Baumgartner
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Kristl, Seibt & Co. Gesellschaft M.B.H.
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
    • G01M7/02—Vibration-testing by means of a shake table
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    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system

Definitions

  • the invention relates to a device for generating torsional vibrations with two mutually pivotable shafts, wherein an end portion of a first shaft is received to form an air gap within an end portion of a second shaft. Furthermore, the invention relates to a method for generating torsional vibrations.
  • torsional vibrations i. time-varying rotational movements
  • rotational movement is for various applications, especially in the field of testing of machinery, equipment and machine parts, which are subject to a rotational movement required.
  • JP 2003126776 A A different device is known from JP 2003126776 A, in which two fixedly arranged, fed by a DC power source magnets are provided. In such a device thus only the generation of a torsional vibration about a fixed zero position is possible.
  • the aim of the present invention is now to provide a device for generating torsional vibrations, with which in a simple way high-frequency torsional vibrations, in particular spins greater than 10000 rad / s 2 , can be generated.
  • one of the two shafts has means for generating a magnetic field with a substantially constant field strength and the other shaft has a magnetic field generating conductor which can be variably supplied to one another for pivoting the shafts to one another ,
  • a magnetic field generating conductor which can be variably supplied to one another for pivoting the shafts to one another
  • the field strength of the magnetic field which is substantially constant in magnitude may also be subject to certain changes, but these changes are smaller than those of the field strength of the magnetic field which is generated by the variably energized conductors.
  • conductors which are connected to a current source, are provided as means for generating a magnetic field with a substantially constant field strength.
  • the magnetic field which is substantially constant over time, can generate in relation to the magnetic field. be carried out spatially constant or spatially rotating the shaft.
  • the conductors for generating the magnetic field may be embodied with substantially constant field strength as multiphase windings.
  • permanent magnets are provided as means for generating a constant magnetic field.
  • the two shafts are freely rotatably mounted, wherein the shaft formed as an input shaft is driven.
  • the input shaft is usually driven at a substantially constant speed, so that due to the magnitude substantially constant magnetic field both waves rotate at substantially constant speed;
  • the magnitude substantially constant magnetic field for generating torsional vibrations can be superimposed with a varying magnetic field, and thus the output shaft in response to the variably applied current are set in torsional vibration.
  • the input shaft can also be arranged rotationally fixed, and only the output shaft can be mounted pivotably.
  • the input shaft is directly connected to a drive shaft of a drive device, in particular an electric motor.
  • a torque transmitting device e.g. a drive belt
  • a drive shaft of a drive device in particular an electric motor
  • one of the two shafts has an annular gap for forming the air gap and for receiving a cylindrical hollow shaft section of the other shaft.
  • the means for generating a magnetic field are substantially identical. Chen constant field strength or the conductor are arranged in the radially outwardly of the annular gap arranged part of the shaft.
  • the input shaft has the annular gap for receiving the cylindrical hollow shaft portion of the output shaft.
  • the annular gap could be provided in the output shaft, in which a hollow shaft portion of the input shaft is received.
  • the arranged radially outside the annular gap, rotatable part is surrounded by a rotatably mounted stator, so that the outer part of the shaft may be formed comparatively thin-walled.
  • the magnetic flux can be guided via an air gap from the outer part of the shaft into the stator.
  • the input shaft has the means for generating a magnetic field with a substantially constant field strength and the output shaft has the variable current-carrying conductor windings.
  • the output shaft has the variable current-carrying conductor windings.
  • a short-circuit winding is arranged in the air gap between the two shafts.
  • the inductance of a time varying magnetic field generating conductor can be kept small and thus comparatively high spin values can be achieved.
  • one of the two shafts has an annular gap for receiving a hollow shaft portion of the other shaft, it is to achieve the highest possible spin accelerations advantageous if both sides of the annular gap of a shaft received cylindrical hollow shaft portion of the other wave each have a short-circuit winding is arranged.
  • the conductor windings are formed as a waveguide or superconductor.
  • it is favorable for cooling the waveguide when the waveguides are traversed by a cooling medium.
  • the variably energized conductors are divided on the shaft in a plurality, preferably four, circumferentially evenly distributed segments, wherein the sections between the conductor segments are free of conductors.
  • Tests have shown that it is advantageous to achieve the desired spins of 10,000 rad / s 2 to 40,000 rad / s 2 , when conductors are subjected to an alternating current with a frequency between 0 and 4000 Hz, preferably substantially 400 Hz , It is also favorable to achieve the desired spin when the conductor windings are variably with a current between 300 and 2000 amps, preferably from 400 to 1800 amps, and a voltage between 30 and 250 volts, preferably from 50 to 190 volts, acted upon.
  • the two waves with a frequency of 0 to 4000 Hz, preferably of substantially 400 Hz, during a current loading of the conductor and the consequent superposition of the magnetic fields to swing to each other.
  • Figure 1 is a schematic view of a device for generating torsional vibrations with an input shaft directly connected to an electric motor.
  • Figure 2 is a schematic view of a device for generating torsional vibrations, wherein the input shaft is coupled via a drive belt with an electric motor.
  • Fig. 3 is a view of the device for generating torsional vibrations
  • Fig. 5 is a section along the line V-V in Fig. 3;
  • Fig. 6 in detail a sectional view of an annular gap of the input shaft, in which a portion of the output shaft is received;
  • Fig. 7 is a perspective view of a fiber reinforced housing of an output shaft of the device.
  • Fig. 8 in detail the transition region between the input and output shaft
  • FIG. 9 is a view of the device with a schematically sketched magnetic field.
  • Fig. 1 shows a device 1 for generating torsional vibrations with an input shaft 2 and an output shaft 3, which are arranged pivotably to each other.
  • the input shaft 2 an annular gap 4, in which a hollow shaft portion 3 'of the output shaft 3 is received to form an air gap 6.
  • the input shaft 2 is thus composed of an outer rotor 2 'and an inner rotor 2'', wherein the outer rotor 2', a stator 33 encloses, in which the Mag- ent Weg 1 from the outer rotor 2 'is guided over an air gap.
  • the outer rotor 2 ' are made thin-walled, whereby the moment of inertia of the outer rotor can be advantageously kept low.
  • the inner rotor 2 '' completely eliminated and the hollow shaft section 3 'of the output shaft 3 is fully formed.
  • the input shaft 2 is connected directly to a drive shaft 9 of an electric motor 10, via which the input shaft 2 is rotated in the direction of rotation 11 at a substantially constant rotational speed.
  • the outer rotor 2 'of the input shaft 2 schematically illustrated means 12 are arranged, via which a substantially constant magnetic field is generated.
  • waveguides 15 (see Figures 3 and 6) fed by a DC power source are provided in the embodiment shown;
  • permanent magnets may also be provided in the outer rotor 2 '.
  • waveguides 17 are provided, which are traversed by a time varying current of a current of about 1500 amps and a voltage of about 200 volts, so that by the in current-carrying waveguides 17 generated magnetic force causes a rotational acceleration between the waves 2 and 3, and thus the desired high-frequency torsional vibrations of up to 4000 Hz can be achieved.
  • a DUT 14 is connected, which is thus exposed to the torsional vibrations of the output shaft 3.
  • FIG. 2 shows a substantially identically constructed electrodynamic device 1 for generating torsional vibrations with an input shaft 2, which has an annular gap 4 for receiving a hollow shaft section 3 'of the output shaft 3, to which a test object 14 is connected.
  • the means 12 are included for generating a substantially constant magnetic field and in the hollow shaft section 3' conductor windings 17 are provided for generating a time varying magnetic field.
  • the input shaft 2 is not driven directly by the electric motor 10 is, but between the drive shaft 9 of the electric motor 10 and the input shaft 2 for transmitting torque, a drive belt 13 is provided.
  • the arrangement of the means 12 for generating a constant magnetic field and the conductor 17 for generating a time-varying magnetic field reversely in the input or output shaft could be provided here as well or the input shaft 2 may be arranged in an annular gap of the output shaft 3.
  • FIG. 3 shows a view of the electrodynamic device 1 for generating torsional vibrations, wherein it can be seen in particular that the conductors 15 are equally distributed in four segments 16 over the circumference of the outer rotor 2 'of the input shaft 2 (see FIG 5) are arranged.
  • the central position of the two shafts 2, 3, which are arranged pivotably relative to one another, shown in FIGS. 3 and 6, are in this case arranged offset conductors 17 in four circular segment-shaped sections 18, which are supported by the output shaft 3.
  • Fig. 4 in particular the pivotable mounting of the input shaft 2 and the output shaft 3 can be seen.
  • the input shaft 2 is initially rotatably supported by a bearing 19 in a bearing housing 20.
  • the entire assembly is rotatably supported by a bearing 21 in the bearing housing 20.
  • the output shaft 3 is mounted relative to the inner rotor 2 '' of the input shaft 2 via bearings 22 and 23 and opposite the outer rotor 2 'of the input shaft 2 via a bearing 24. If the input shaft 2 is arranged rotationally fixed, the bearings 19 and 21 can be omitted.
  • slip rings 25 arranged on the input shaft 2 can be seen in FIG. 4, via which waveguides 15 are supplied with current via a direct current source for generating a substantially constant magnetic field.
  • slip rings 26 can be seen, which are arranged on the output shaft 3, via which the waveguides 17 are variably supplied with current, so that due to the overlapping magnetic fields, the output shaft 3 is set in torsional vibration.
  • the slip rings 26 may alternatively be arranged on the input shaft 2 and flexible conductors with the Waveguides 17 may be connected.
  • the structural design of the output shaft 3 can be seen.
  • a housing 27 made of a fiber reinforced material, e.g. Carbon, provided, which has longitudinally spaced, divided into four segments, radially projecting posts 28, between which the waveguide 17 are arranged and which thus serve as a torque support for the waveguide 17.
  • the output shaft 3 has an outer housing 29 for receiving the waveguide 17, which also consists of a fiber-reinforced material.
  • the output shaft 3 may be formed without a housing 27, 29 as a cantilevered conductor construction in which the conductors 17 are cantilevered (e.g., bonded) to each other.
  • the annular gap 4 in which the hollow shaft section 3 'of the output shaft 3 is accommodated is shown in detail.
  • waveguides are provided as electrical conductors 17, which generate a time-varying magnetic field, which are preferably made of aluminum and through which a gaseous or liquid medium flows.
  • the waveguides 17 are in this case in several, e.g. taken three layers between the inner housing 27 and the outer housing 29.
  • a short-circuit winding 31 is arranged in the air gap 6 between the inner rotor 2 '' and the outer rotor 2 'of the input shaft 2 radially inside and outside the conductor 17 in order to keep the inductance of the conductor 17 small and thus possible even at high frequencies achieve high spin with the device 1 can.
  • the device 1 is still shown schematically in a central position of the mutually pivotally arranged waves 2 and 3, wherein the flow of generated by the conductors 15 of the input shaft 2, in terms of magnitude substantially constant magnetic field with the magnetic field lines 32 is shown schematically.
  • the magnetic flux extends from the outer rotor 2 'via the air gap 6 etc.
  • the stator 33 is laminated If the conductors 17 are variably supplied with current, the magnetic field 32 is superimposed by the magnetic field generated by the conductors 17 and thus a pivoting of the output shaft 3 with respect to the input shaft 2 by approximately + 20 ° With a current of about 300 to 2000 amps and a voltage of about 30 to 250 volts applied, wherein by torsional vibrations at a frequency of about 4 kHz and a test specimen with an inertia of about 0.2 kgm 2 spin accelerations of about 30,000 rad / s 2 can be achieved.
  • the specific configuration of the output or input shaft or which of the two waves generates a magnetic field which is substantially constant over time and which generates a variable magnetic field can also be chosen differently than in the exemplary embodiment shown.
  • the only essential factor is that the amount of time is substantially constant constant magnetic field is superimposed by a time varying magnetic field for the purpose of generating rotational accelerations between the two mutually pivotally arranged waves.

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Abstract

Vorrichtung (1) und Verfahren zur Erzeugung von Drehschwingungen mit zwei zueinander ver schwenkbaren Wellen (2, 3), wobei ein Endabschnitt einer ersten Welle (2, 3) unter Ausbildung eines Luftspalts (6) innerhalb eines Endabschnitts einer zweiten Welle (2, 3) aufgenommen ist, und eine der beiden Wellen (2, 3) Mittel (12) zum Erzeugen eines Magnetfelds mit im Wesentlichen konstanter Feldstärke aufweist und die andere Welle (2, 3) ein magnetisches Feld erzeugende Leiter (17) aufweist, die zum Verschwenken der Wellen (2, 3) zueinander variabel mit Strom beaufschlagbar sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von DrehSchwingungen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Drehschwingungen mit zwei zueinander verschwenkbaren Wellen, wobei ein Endabschnitt einer ersten Welle unter Ausbildung eines Luftspalts innerhalb eines Endabschnitts einer zweiten Welle aufgenommen ist. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Drehschwingungen.
Die Verfügungstellung von Drehschwingungen, d.h. zeitlich variierenden Drehbewegungen, wird für verschiedene Anwendungen, insbesondere im Bereich der Prüfung von Maschinen, Einrichtungen und Maschinenteilen, die einer Drehbewegung unterliegen, benötigt.
Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Vorrichtungen zur Erzeugung von Drehschwingungen bekannt. Hierbei handelt es sich insbesondere um Vorrichtungen, bei welchen eine konstante Drehbewegung durch eine modulierte Druckbeaufschlagung einer hydraulischen Kupplung überlagert wird, so dass am Ausgang die Summe der beiden Drehbewegungen zur Verfügung steht. Derartige druckmodulierte hydraulische Kupplungen sind beispielsweise aus der DE 2 057 347 A, sowie der US 4,283,957 A und der US 3,772,913 A bekannt. Mit derartigen druckmodulierten hydraulischen Kupplungen können jedoch aufgrund der Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit lediglich Frequenzen von bis zu maximal 800 Hz erzielt werden.
Eine andersartige Vorrichtung ist aus der JP 2003126776 A bekannt, bei welcher zwei ortsfest angeordnete, von einer Gleichstromquelle angespeiste Magnete vorgesehen sind. Bei einer derartigen Vorrichtung ist somit lediglich die Erzeugung einer Torsionsschwingung um eine fixe Nulllage möglich.
Andererseits ist es auch bereits bekannt, mittels elektrischer Maschinen Drehschwingungen zu erzeugen. Hierbei wird ein Rotor einer elektrischen Maschine mit einem elektrischen Drehfeld rotatorisch mitbewegt, wobei sowohl eine Grunddrehung als auch eine Drehungleichförmigkeit zur Erzielung der gewünschten Drehschwingungen in dem Drehfeld vorhanden sind. Um das Trag- heitsmoment des Rotors gering halten zu können, werden hierbei im Allgemeinen Synchronmaschinen eingesetzt. Mit derartigen Maschinen können jedoch in unbelastetem Zustand maximal Drehbeschleunigungen bis zu 12000 rad/s2 erzielt werden. Sofern derartige Maschinen mit einem Prüfling zu dessen Prüfung belastet werden, der beispielsweise ein Trägheitsmoment von ca. 0,1 kgm2 aufweist, können mit derartigen Synchronmaschinen nur mehr Drehbeschleunigungen bis zu 4000 rad/s2 erreicht werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Drehschwingungen zu schaffen, mit welcher auf einfache Weise hochfrequente Drehschwingungen, insbesondere auch Drehbeschleunigungen größer 10000 rad/s2, erzeugt werden können.
Dies wird mit einer Vorrichtung der eingangs angeführten Art dadurch erzielt, dass eine der beiden Wellen Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds mit im Wesentlichen konstanter Feldstärke aufweist und die andere Welle ein magnetisghes Feld erzeugende Leiter aufweist, die zum Verschwenken der Wellen zueinander variabel mit Strom beaufschlagbar sind. Durch die Ineinander-Anord- nung der beiden Wellenabschnitte und die Erzeugung eines betragsmäßig zeitlich im Wesentlichen konstanten Magnetfelds mit Hilfe einer der beiden Wellen, welches zur Erzeugung einer rotatorischen Schwingbewegung von dem durch die variabel mit Strom beaufschlagten Leiter erzeugten Magnetfeld überlagert wird, können im Vergleich zu bekannten Synchronmaschinen auf einfache Weise hohe Drehbeschleunigungen von größer 10000 rad/s2, insbesondere größer 40000 rad/s2, erzielt werden. Hierbei kann die Feldstärke des betragsmäßig im Wesentlichen konstanten Magnetfelds ebenfalls gewissen Änderungen unterliegen, diese Änderungen sind jedoch geringer als jene der Feldstärke des Magnetfelds, das von den variabel mit Strom beaufschlagten Leitern erzeugt wird.
Zum Erzeugen eines im Wesentlichen betragsmäßig konstanten Magnetfelds mit Hilfe einer der beiden Wellen ist es günstig, wenn als Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds mit im Wesentlichen konstanter Feldstärke an eine Stromquelle angeschlossene Leiter vorgesehen sind. Das betragsmäßig zeitlich im Wesentlichen konstante Magnetfeld kann in Bezug zu der das Magnetfeld erzeugen- den Welle räumlich konstant oder räumlich drehend ausgeführt sein. Zur Ausbildung eines räumlich in Bezug auf die das Magnetfeld erzeugende Welle drehenden Magnetfelds können die Leiter zum Erzeugen des Magnetfelds mit im Wesentlichen konstanter Feldstärke als Mehrphasenwicklungen ausgeführt sein. Alternativ ist es ebenso möglich, dass als Mittel zum Erzeugen eines konstanten Magnetfelds Permanentmagnete vorgesehen sind.
Zur Prüfung von Maschinenteilen, die einer rotatorischen Belastung unterliegen, ist es vorteilhaft, wenn die beiden Wellen frei drehbar gelagert sind, wobei die als Eingangswelle ausgebildete Welle angetrieben ist. Hierbei wird die Eingangswelle üblicherweise mit einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl angetrieben, so dass aufgrund des betragsmäßig im Wesentlichen konstanten Magnetfelds beide Wellen mit im Wesentlichen konstanter Drehzahl umlaufen; mit Hilfe der variabel mit Strom beaufschlagbaren Leiter kann jedoch das betragsmäßig im Wesentlichen konstante Magnetfeld zur Erzeugung von Drehschwingungen mit einem variierenden Magnetfeld überlagert werden, und somit die Abtriebswelle in Abhängigkeit von dem variabel aufgebrachten Strom in Drehschwingung versetzt werden. Bei einer speziellen Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Eingangswelle jedoch auch drehfest angeordnet sein, und lediglich die Ausgangswelle verschwenkbar gelagert sein.
Zum Antrieb der Eingangswelle ist es günstig, wenn die Eingangswelle direkt mit einer Antriebswelle einer AntriebsVorrichtung, insbesondere eines Elektromotors, verbunden ist. Alternativ ist es zum Antrieb der Eingangswelle ebenso denkbar, dass die Eingangswelle über eine Drehmomentübertragungsvorrichtung, z.B. einen Antriebsriemen, mit einer Antriebswelle einer Antriebsvorrichtung, insbesondere eines Elektromotors, verbunden ist.
Hinsichtlich einer effizienten Übertragung der im Bereich der ineinander angeordneten Wellen wirkenden Magnetkräfte ist es von Vorteil, wenn eine der beiden Wellen einen Ringspalt zur Ausbildung des Luftspalts und zur Aufnahme eines zylindrischen Hohlwellen-Abschnitts der anderen Welle aufweist. Weiters ist es hinsichtlich einer effizienten Kraftübertragung von Vorteil, wenn die Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds mit im Wesentli- chen konstanter Feldstärke oder die Leiter in dem radial außerhalb des Ringspalts angeordneten Teil der Welle angeordnet sind. Hierbei ist es insbesondere günstig, wenn die Eingangswelle den Ringspalt zur Aufnahme des zylindrischen Hohlwellen-Abschnitts der Ausgangswelle aufweist. Selbstverständlich könnte jedoch auch der Ringspalt in der Ausgangswelle vorgesehen sein, in welchem ein Hohlwellen-Abschnitt der Eingangswelle aufgenommen ist.
Um das Trägheitsmoment der den Ringspalt aufweisenden Welle gering zu halten, ist es günstig, wenn der radial außerhalb des Ringspalts angeordnete, drehbare Teil von einem drehfest angeordneten Stator umgeben ist, so dass der äußere Teil der Welle vergleichsweise dünnwandig ausgebildet sein kann. Hierbei kann der Magnetfluss über einen Luftspalt von dem äußeren Teil der Welle in den Stator geführt werden.
Zudem ist es bevorzugt, dass die Eingangswelle die Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds mit im Wesentlichen konstanter Feldstärke und die Ausgangswelle die variabel mit Strom beaufschlagbaren Leiterwicklungen aufweist. Es ist jedoch ebenso möglich, dass mittels der Ausgangswelle ein im Wesentlichen konstantes Magnetfeld erzeugt wird und mit Hilfe der Eingangswelle zur Erzeugung der Drehschwingungen ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugt wird.
Um auch bei hohen Frequenzen eine möglichst hohe Drehbeschleunigung mit der Vorrichtung erzielen zu können, ist es günstig, wenn im Luftspalt zwischen den beiden Wellen eine Kurzschlusswicklung angeordnet ist. Durch das Vorsehen einer Kurzschlusswicklung kann die Induktivität der ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugenden Leiter klein gehalten werden und somit vergleichsweise hohe Drehbeschleunigungswerte erzielt werden. Im Falle, dass eine der beiden Wellen einen Ringspalt zur Aufnahme eines Hohlwellen-Abschnitts der anderen Welle aufweist, ist es zur Erzielung möglichst hoher Drehbeschleunigungen von Vorteil, wenn beidseits des im Ringspalt der einen Welle aufgenommenen zylindrischen Hohlwellen-Abschnitts der anderen Welle jeweils eine Kurzschlusswicklung angeordnet ist.
Weiters ist es zur Erzielung möglichst hoher Drehbeschleunigun- gen von Vorteil, wenn die Leiterwicklungen als Hohlleiter oder Supraleiter ausgebildet sind. Hierbei ist es zur Kühlung der Hohlleiter günstig, wenn die Hohlleiter von einem Kühlnaedium durchströmt werden.
Um Drehschwingungen zu erzeugen, bei welchen die beiden Wellen um bis zu + 20° zueinander verschwenkt werden, ist es vorteilhaft, wenn die variabel mit Strom beaufschlagten Leiter auf der Welle in mehrere, vorzugsweise vier, umfangsseitig gleichmäßig verteilte Segmente unterteilt sind, wobei die Abschnitte zwischen den Leiter-Segmenten frei von Leitern sind.
Um ein Auslenken der beiden Wellen zueinander in beide Richtungen zu erzielen, ist es gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, wenn die Leiter mit einem Wechselstrom angespeist werden.
Tests haben gezeigt, dass es zur Erzielung der gewünschten Drehbeschleunigungen von 10.000 rad/s2 bis 40000 rad/s2 von Vorteil ist, wenn Leiter mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen 0 und 4000 Hz, vorzugsweise von im Wesentlichen 400 Hz, beaufschlagt werden. Ebenso ist es zur Erzielung der gewünschten Drehbeschleunigungen günstig, wenn die Leiterwicklungen variabel mit einer Stromstärke zwischen 300 und 2000 Ampere, vorzugsweise von 400 bis 1800 Ampere, und einer Spannung zwischen 30 und 250 Volt, vorzugsweise von 50 bis 190 Volt, beaufschlagt werden.
Zur Überprüfung eines mit der Ausgangswelle verbundenen Prüflings hinsichtlich seiner Belastbarkeit auf Drehschwingungen ist es vorteilhaft, wenn während einer Strom-Beaufschlagung der Leiter und der daraus folgenden Überlagerung der Magnetfelder die beiden Wellen mit einer Frequenz von 0 bis 4000 Hz, vorzugsweise von im Wesentlichen 400 Hz, zueinander schwingen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch näher erläutert.
Im Einzelnen zeigen in den Zeichnungen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung von Drehschwingungen mit einer direkt an einen Elektromotor angeschlossenen Eingangswelle;
Fig. 2 schematisch eine Ansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung von Drehschwingungen, wobei die Eingangswelle über einen Antriebsriemen mit einem Elektromotor gekuppelt ist;
Fig. 3 eine Ansicht der Vorrichtung zur Erzeugung von Drehschwingungen;
Fig. 4 einen Schnitt gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3;
Fig. 5 einen Schnitt gemäß der Linie V-V in Fig. 3;
Fig. 6 im Detail eine Schnittansicht eines Ringspalts der Eingangswelle, in welcher ein Abschnitt der Ausgangswelle aufgenommen ist;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines faserverstärkten Gehäuses einer Ausgangswelle der Vorrichtung;
Fig. 8 im Detail den Übergangsbereich zwischen Ein- und Ausgangswelle; und
Fig. 9 eine Ansicht der Vorrichtung mit einem schematisch skizzierten Magnetfeld.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Drehschwingungen mit einer Eingangswelle 2 und einer Ausgangswelle 3, die zueinander verschwenkbar angeordnet sind. Hierbei weist die Eingangswelle 2 einen Ringspalt 4 auf, in welchem ein Hohlwellen- Abschnitt 3' der Ausgangswelle 3 unter Ausbildung eines Luftspalts 6 aufgenommen ist. Die Eingangswelle 2 setzt sich somit aus einem Außenrotor 2' und einem Innenrotor 2'' zusammen, wobei den Außenrotor 2' ein Stator 33 umschließt, in welchen der Mag- entfluss vom Außenrotor 2' über einen Luftspalt geführt wird. Hierdurch kann der Außenrotor 2' dünnwandig ausgeführt werden, wodurch das Trägheitsmoment des Außenrotors vorteilhafterweise gering gehalten werden kann. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, dass der Innenrotor 2'' vollkommen entfällt und der Hohlwellen-Abschnitt 3' der Ausgangswelle 3 voll ausgebildet ist.
Die Eingangswelle 2 ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel direkt mit einer Antriebswelle 9 eines Elektromotors 10 verbunden, über welchen die Eingangswelle 2 in Drehrichtung 11 mit einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl rotiert wird. Hierbei sind in dem Außenrotor 2 ' der Eingangswelle 2 schematisch dargestellte Mittel 12 angeordnet, über welche ein im Wesentlichen konstantes Magnetfeld erzeugt wird. Als Mittel 12 zum Erzeugen eines im Wesentlichen konstanten Magnetfelds sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel von einer Gleichstromquelle angespeiste Hohlleiter 15 (vgl. Fig. 3 und 6) vorgesehen; alternativ zu den Hohlleitern 15 können jedoch auch Permanentmagnete im Außenrotor 2' vorgesehen sein.
In dem im Ringspalt 4 angeordneten Hohlwellen-Abschnitt 3' der Ausgangswelle 3 hingegen sind Hohlleiter 17 vorgesehen, welche mit einem zeitlich variierenden Strom einer Stromstärke von ca. 1500 Ampere und einer Spannung von ca. 200 Volt durchströmt werden, so dass durch die in den stromdurchflossenen Hohlleitern 17 erzeugte Magnetkraft eine Drehbeschleunigung zwischen den Wellen 2 und 3 bewirkt, und somit die gewünschten hochfrequenten Drehschwingungen von bis zu 4000 Hz erzielt werden. An die Ausgangswelle 3 ist ein Prüfling 14 angeschlossen, der somit den Drehschwingungen der Ausgangswelle 3 ausgesetzt wird.
In Fig. 2 ist eine im Wesentlichen gleich aufgebaute elektrodynamische Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Drehschwingungen mit einer Eingangswelle 2 gezeigt, die einen Ringspalt 4 zur Aufnahme eines Hohlwellen-Abschnitts 3' der Ausgangswelle 3 aufweist, an welche ein Prüfling 14 angeschlossen ist. Zudem sind auch hier in dem den Hohlwellen-Abschnitt 5 umgebenden Außenrotor 2 ' der Eingangswelle 2 die Mittel 12 zum Erzeugen eines im Wesentlichen konstanten Magnetfeldes aufgenommen und im Hohlwellen-Abschnitt 3' sind Leiterwicklungen 17 zum Erzeugen eines zeitlich variierenden Magnetfelds vorgesehen. Einziger Unterschied zu dem in Fig. 1 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel ist, dass die Eingangswelle 2 nicht direkt vom Elektromotor 10 angetrieben wird, sondern zwischen der Antriebswelle 9 des Elektromotors 10 und der Eingangswelle 2 zur Drehmomentübertragung ein Antriebsriemen 13 vorgesehen ist. Selbstverständlich könnte auch hier die Anordnung der Mittel 12 zum Erzeugen eines konstanten Magnetfelds und der Leiter 17 zum Erzeugen eines zeitlich variierenden Magnetfelds umgekehrt in der Ein- bzw. Äusgangswelle vorgesehen sein bzw. auch die Eingangswelle 2 in einem Ringspalt der Ausgangswelle 3 angeordnet sein.
In Fig. 3 ist eine Ansicht der elektrodynamischen Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Drehschwingungen gezeigt, wobei insbesondere ersichtlich ist, dass die Leiter 15 in vier Segmenten 16 gleich verteilt über den Umfang des Außenrotors 2' der Eingangswelle 2 (vgl. Fig. 4 und Fig. 5) angeordnet sind. Der in den Fig. 3 und 6 gezeigten Mittellage der beiden zueinander verschwenkbar angeordneten Wellen 2, 3 sind hiezu versetzt Leiter 17 in vier kreissegmentförmigen Abschnitten 18 angeordnet, die von der Ausgangswelle 3 getragen werden.
In Fig. 4 ist insbesondere die verschwenkbare Lagerung der Eingangswelle 2 und der Ausgangswelle 3 ersichtlich. Dabei ist die Eingangswelle 2 zunächst über ein Lager 19 in einem Lagergehäuse 20 drehbar gelagert. Zudem ist die Gesamtanordnung über ein Lager 21 in dem Lagergehäuse 20 drehbar gelagert. Die Ausgangswelle 3 ist gegenüber dem Innenrotor 2 ' ' der Eingangswelle 2 über Lager 22 und 23 gelagert und gegenüber dem Außenrotor 2' der Eingangswelle 2 über ein Lager 24. Sofern die Eingangswelle 2 drehfest angeordnet ist, können die Lager 19 und 21 entfallen.
Zudem sind in Fig. 4 auf der Eingangswelle 2 angeordnete Schleifringe 25 ersichtlich, über welche Hohlleiter 15 über eine Gleichstromquelle zur Erzeugung eines im Wesentlichen konstanten Magnetfelds mit Strom versorgt werden.
Weiters sind Schleifringe 26 ersichtlich, die auf der Ausgangswelle 3 angeordnet sind, über welche die Hohlleiter 17 variabel mit Strom beaufschlagt werden, so dass aufgrund der sich überlagernden Magnetfelder die Ausgangswelle 3 in Drehschwingung versetzt wird. Die Schleifringe 26 können alternativ auch auf der Eingangswelle 2 angeordnet sein und über flexible Leiter mit den Hohlleitern 17 verbunden sein.
In der Schnittansicht gemäß Fig. 5 sowie der perspektivischen Ansicht gemäß Fig. 7 ist insbesondere der konstruktive Aufbau der Ausgangswelle 3 ersichtlich. Hierbei ist ein Gehäuse 27 aus einem faserverstärkten Material, z.B. Carbon, vorgesehen, welches in Längsrichtung beabstandete, in vier Segmente unterteilte, radial vorspringende Steher 28 aufweist, zwischen welchen die Hohlleiter 17 angeordnet sind und welche somit als Drehmoment-Abstützung für die Hohlleiter 17 dienen. Zudem weist die Ausgangswelle 3 ein Außengehäuse 29 zur Aufnahme der Hohlleiter 17 auf, das ebenfalls aus einem faserverstärkten Material besteht. Alternativ kann die Ausgangswelle 3 auch ohne Gehäuse 27, 29 als freitragende Leiter-Konstruktion ausgebildet sein, bei der die Leiter 17 miteinander freitragend verbunden (z.B. verklebt) sind.
In der Detailansicht gemäß Fig. 8 ist der Ringspalt 4, in welchem der Hohlwellen-Abschnitt 3 ' der Ausgangswelle 3 aufgenommen ist, im Detail gezeigt. Bei dem gegenüber Fig. 6 geringfügig modifizierten Ausführungsbeispiel ist insbesondere ersichtlich, dass als elektrische Leiter 17, welche ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugen, Hohlleiter vorgesehen sind, welche vorzugsweise aus Aluminium bestehen und zur Kühlung von einem gasförmigen oder flüssigen Medium durchströmt werden. Die Hohlleiter 17 sind hierbei in mehreren, z.B. drei Lagen zwischen dem Innengehäuse 27 und dem Außengehäuse 29 aufgenommen. Zudem ist in dem Luftspalt 6 zwischen den Innenrotor 2'' und dem Außenrotor 2' der Eingangswelle 2 radial innerhalb und außerhalb der Leiter 17 jeweils eine Kurzschlusswicklung 31 angeordnet, um die Induktivität der Leiter 17 klein zu halten und somit auch bei hohen Frequenzen eine möglichst hohe Drehbeschleunigung mit der Vorrichtung 1 erzielen zu können.
In Fig. 9 ist die Vorrichtung 1 noch schematisch in einer Mittellage der zueinander verschwenkbar angeordneten Wellen 2 und 3 gezeigt, wobei der Fluss des von den Leitern 15 der Eingangswelle 2 erzeugten, betragsmäßig zeitlich im Wesentlichen konstanten Magnetfelds mit den Magnetfeldlinien 32 schematisch gezeigt ist. Der Magnetfluss verläuft vom Außenrotor 2' über den Luftspalt 6 usw. über den Innenrotor 21' zurück über den Luftspalt in den Außenrotor 2", von dort weiter in den Stator 33 und von diesem wieder zurück in den Außenrotor 2 ' . Um etwaige Wirbelstromverluste möglichst gering zu halten, ist der Stator 33 geblecht ausgeführt. Sofern die Leiter 17 variabel mit Strom beaufschlagt werden, wird das Magnetfeld 32 von dem von den Leitern 17 erzeugten .Magnetfeld überlagert und somit eine Verschwenkung der Ausgangswelle 3 gegenüber der Eingangswelle 2 um ca. + 20° erzielt. Hierbei werden die Leiter 17 üblicherweise mit einer Stromstärke von ca. 300 bis 2000 Ampere und einer Spannung von ca. 30 bis 250 Volt beaufschlagt, wobei durch Drehschwingungen mit einer Frequenz von ca. 4 kHz und bei einem Prüfling mit einem Trägheitsmoment von ca. 0,2 kgm2 Drehbeschleunigungen von ca. 30000 rad/s2 erzielt werden können.
Die konkrete Ausgestaltung der Ausgangs- bzw. Eingangswelle bzw. welche der beiden Wellen ein betragsmäßig zeitlich im Wesentlichen konstantes Magnetfeld und welche ein variables Magnetfeld erzeugt, kann auch anders als in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gewählt werden, wesentlich ist lediglich, dass ein betragsmäßig zeitlich im Wesentlichen konstantes Magnetfeld von einem zeitlich variierenden Magnetfeld zwecks Erzeugung von Drehbeschleunigungen zwischen den beiden zueinander verschwenkbar angeordneten Wellen überlagert wird.

Claims

Patentansprüche :
1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung von Drehschwingungen mit zwei zueinander verschwenkbaren Wellen (2, 3) , wobei ein Endabschnitt einer ersten Welle (2, 3) unter Ausbildung eines Luftspalts (6) innerhalb eines Endabschnitts einer zweiten Welle (2, 3) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Wellen (2, 3) Mittel (12) zum Erzeugen eines Magnetfelds mit im Wesentlichen konstanter Feldstärke aufweist und die andere Welle (2, 3) ein magnetisches Feld erzeugende Leiter (17) aufweist, die zum Verschwenken der Wellen (2, 3) zueinander variabel mit Strom beaufschlagbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (12) zum Erzeugen eines Magnetfelds mit im Wesentlichen konstanter Feldstärke an eine Stromquelle angeschlossene Leiter (15) vorgesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel (12) zum Erzeugen eines Magnetfelds mit konstanter Feldstärke Permanentmagnete vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wellen (2, 3) frei drehbar gelagert sind, wobei die als Eingangswelle ausgebildete Welle (2) angetrieben ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (2) direkt mit einer Antriebswelle (9) einer Antriebsvorrichtung, insbesondere eines Elektromotors (10), verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (2) über eine Drehmomentübertragungsvorrichtung, z.B. einen Antriebsriemen (13), mit einer Antriebswelle (9) einer Antriebsvorrichtung, insbesondere eines Elektromotors (10) , verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis β, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine der beiden Wellen (2, 3) einen Ringspalt (4) zur Ausbildung des Luftspalts (6) und zur Aufnahme eines zylindrischen Hohlwellen-Abschnitts (3") der anderen Welle (2, 3) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (12) zum Erzeugen eines Magnetfelds mit im Wesentlichen konstanter Feldstärke oder die Leiter (17) in dem radial außerhalb des Ringspalts (4) angeordneten Teil (2') der Welle (2, 3) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (2) den Ringspalt (4) zur Aufnahme des zylindrischen Hohlwellen-Abschnitts (3') der Ausgangswelle (3) aufweist.
10.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der radial außerhalb des Ringspalts (4) angeordnete, drehbare Teil (2') von einem drehfest angeordneten Stator (33) umgeben ist.
11.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle (2) die Mittel (12) zum Erzeugen eines Magnetfelds mit im Wesentlichen konstanter Feldstärke und die Ausgangswelle (3) die variabel mit Strom beaufschlagbaren Leiter (17) aufweist.
12.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Luftspalt (6) zwischen den beiden Wellen eine Kurzschlusswicklung (31) angeordnet ist.
13.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beidseits des im Ringspalt (4) der einen Welle (2,3) aufgenommenen zylindrischen Hohlwellen-Abschnitts (3') der anderen Welle (2, 3) jeweils eine Kurzschlusswicklung (31) angeordnet ist.
14.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (15, 17) als Hohlleiter ausgebildet sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (15, 17) als Supraleiter ausgebildet sind.
16.Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlleiter (15, 17) von einem Kühlmedium durchströmt werden.
17.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die variabel mit Strom beaufschlagten Leiter (17) auf der Welle (3) in mehrere, vorzugsweise vier, umfangsseitig gleichmäßig verteilte Segmente (16) unterteilt sind, wobei die Abschnitte zwischen den Leiter- Segmenten (16) frei von Leitern (17) sind.
18.Verfahren zur Erzeugung von Drehschwingungen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (17) mit einem Wechselstrom angespeist werden.
19.Verfahren zur Erzeugung von Drehschwingungen nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (17) mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz zwischen 0 und 4000 Hz, vorzugsweise von im Wesentlichen 400 Hz, beaufschlagt werden.
20.Verfahren zur Erzeugung von Drehschwingungen nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (17) variabel mit einer Stromstärke zwischen 300 und 2000 Ampere, vorzugsweise von 400 bis 1800 Ampere, und einer Spannung zwischen 30 und 250 Volt, vorzugsweise von 50 bis 190 Volt, beaufschlagt werden.
21.Verfahren zur Erzeugung von Drehschwingungen nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Strom-Beaufschlagung der Leiter (17) und der daraus folgenden Überlagerung der Magnetfelder die beiden Wellen (2, 3) mit einer Frequenz von 0 bis 4000 Hz, vorzugsweise von im Wesentlichen 400 Hz, zueinander schwingen.
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