WO2019185196A1

WO2019185196A1 - Lineare magnetfeder und verwendung in schwingungstilgern

Info

Publication number: WO2019185196A1
Application number: PCT/EP2019/000100
Authority: WO
Inventors: Lukas Schneider
Original assignee: Esm Energie- Und Schwingungstechnik Mitsch Gmbh
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2019-10-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Magnetfeder und ihre Verwendung in Schwingungstilgern, insbesondere in Windkraftanlagen. Aufgrund ihrer besonderen Funktions- und Bauweise eigenen sich derartige Magnetfedern insbesondere für den Einsatz in Dämpfungssystemen für Rotorblätter oder Türme einer Windkraftanlage und überall dort, wo wenig Bauraum für die Tilgervorrichtung zur Verfügung steht.

Description

Lineare Magnetfeder und Verwendung in Schwingungstilgern

Die Erfindung betrifft eine magnetisch wirksame Feder, deren Federkraft weitgehend proportional zu ihre Einfederung ist.

Eine solche Magnetfeder eignet sich, wie unten beschrieben, vorzüglich als maßgebliches Bauelement in Schwingungstilgern, also Systemen, bei denen auftretende Störschwingungen durch geeignete technische Vorkehrungen gedämpft werden müssen

Die Erfindung betrifft insbesondere den Einsatz der erfindungsgemäßen Magnetfedern als Teil von Schwingungstilgern in Windkraftanlagen und vergleichbaren Anlagen bei denen Schwingungen zwischen etwa 0.1 Hz und 5 Hz auftreten.

Die Erfindung betrifft insbesondere den Einsatz solcher Magnetfedern in

Dämpfungssystemen für Rotorblätter einer Windkraftanlage oder auch in Türmen,

insbesondere auch in pendelfreien Tilgern und überall dort, wo wenig Bauraum zur Verfügung steht. Hohe und schlanke Gebäude und Anlagen, wie beispielsweise Windkraftanlagen unterliegen besonderen Schwingungsverhältnissen, welche durch technische Maßnahmen beachtet werden müssen, damit keine Schäden oder vorzeitige Ermüdungsprozesse eintreten. Solche Windkraftanlagen müssen den an ihnen durch Wind, Wellen, Wetter und Betrieb auftretenden Kräften Stand halten, welche die Anlagen an unterschiedlichen Stellen verschieden stark belasten. Zu starke Schwingungskräfte können den Betrieb und die Sicherheit der Anlagen gefährden.

Die meisten Störkräfte wirken sich auch auf den Turm und die Rotorblätter der Anlage aus, welcher in der Regel mit einer niedrigen Eigenfrequenz meist < 1 Hz zum Schwingen angeregt werden. Aus diesem Grund werden im Stand der Technik Schwingungstilger unterschiedlicher Art zur Schwingungsdämpfung eingesetzt, welche meist im T urm

aufgehängt werden. Dazu zählen vorwiegend Pendeltilger

Pendeltilger für Windkraftanlagen sind beispielsweise in der EP 1008747 (B1) oder in der WO 2009/068599 beschrieben. Hier werden klassische Pendel verwendet, welche aber auf Grund des verfügbaren geringen Bewegungsraumes im Turm nur kleine Schwingwege zurücklegen können, was zur Folge hat, dass die erforderlichen Tilgermassen recht groß sein müssen, um Einfluss auf die entsprechende Eigenfrequenz nehmen zu können.

Verschiedene Pendeltilgersysteme werden auch in der JP 08-200438 (A), der EP 2746483 (A1 ), der EP 1008747 (B1), der WO 2009/068599 und der WO 2016/023628 beschrieben. Klassische Pendeltilger brauchen relativ großen Bauraum und / oder relativ große Tilgermassen. Dem wurde durch Einsatz von Dämpfungsvorrichtungen auf Basis von erzeugten Magnet- bzw. Wirbelstromkräften begegnet. Beispielsweise die DE 37 41 578 A1 , die US 2007/0131504, die EP 2 696 072 oder die WO 2016/023628 beschreiben

unterschiedlich aufgebaute Magnet- bzw. Wirbelstromdämpfungsvorrichtungen für

pendelbasierte Schwingungssystem, u.a. auch Windkraftanlagen.

Alle bekannten Magnet- bzw. Wirbelstromdämpfer haben die Eigenschaft, dass die

Gegenkraft, die das Wirbelstromfeld erzeugt und der Bewegung der Masse entgegensetzt ist, von der Geschwindigkeit der Bewegung abhängig ist. Da aber in Windkraftanlagen oft langsame Bewegungen durch die Erregerfrequenz generiert werden (Wind, Erdbeben etc.), entsteht das Problem, dass die erzeugte Kraft des Wirbelstromfeldes nicht ausreicht, um eine ausreichenden Dämpfung bei speziell langsamen Bewegungen zu erzielen. Gleiches gilt, wenn die Amplituden der betreffenden Schwingungen gering sind.

Rotorblättern, insbesondere von Windkraftanlagen, unterliegen naturgemäß verschiedenen Schwingungen, die zum Teil speziell Natur sind, im Vergleich zum Turm oder dem Getriebe. Das Dämpfen der Schwingungen in Rotorblättern durch entsprechende Tilger ist generell anspruchsvoll, da neben dem in der Regel nur kleinen verfügbaren Bauraum noch

verschiedenen andere Anforderungen vorliegen müssen, wie z.B.:.

Der Tilger muss möglichst nahe an der Blattspitze platziert werden, da dort die größte Blattauslenkung ist und somit die größte Tilgerwirkung erzielt werden kann.

Da der Schwingungstilger so weit vorne im Blatt platziert ist, kann er nicht gewartet werden. Der Schwingungstilger muss also wartungsfrei und verschleißfrei sein um die gesamte Lebensdauer des Blatts zu überdauern.

Im Blatt liegen durch die Zentrifugalkräfte und die zyklischen Belastungen extreme dynamische Beanspruchungen vor.

Im vorderen Teil des Blatts darf kein elektrisch leitendes Material verbaut werden, wegen der Gefahr des Blitzeinschlags ins Blatt.

- Treten die Blattschwingungen im Stillstand und im Betrieb der Anlage auf, müssen die Eigenschaften des Schwingungstilger unabhängig von der Drehzahl der Anlage sein.

- Schwingungstilger, die im Blatt eine Frequenz von 0,7Hz bearbeiten, müssen eine freie Wegamplitude von mindestens 510mm aufweisen.

Für höhere Frequenzen reichen kleinere freie Wegamplituden aus. Diese freie Weglänge hat Ihre Ursache in der Absenkung der Tilgermasse bei Einwirkung der Schwerkraft. Bei einer Umdrehung des Blatts zieht die Schwerkraft die Tilgermasse um maximal 510mm in eine und um 510mm in die anderen Richtung. Dieser Tilgerauslenkung durch die Schwerkraft

(genannt: statische Einfederung) ist noch eine Tilgerbewegung überlagert, die das Blatt beruhigen soll.

Rotorblatt-Tilger können also nur dort platziert werden, wo im Blatt mindestens ein Bauraum von 2x der statischen Einfederung plus Schwingweg für die Beruhigung vorhanden ist. Diese Aussage gilt für Lineartilger. Torsionstilger, die die Verkippung des Blatts nutzen, um ein Moment um die XB-Achse (Schwenken) in das Blatt einzuleiten, haben zwar keine statische Einfederung, deren Wirkung ist aber stark reduziert, bzw. große Maßen sind notwendig um eine Wirkung auf störenden Blattmoden zu erreichen.

Die niedrigsten Frequenzen der Eigenmoden von Blättern in Windkraftanlagen liegen zwischen 0,5Hz und 1 ,5Hz. Insbesondere die Biegung der Blätter um die XB-Achse

(Schwenken) und um die YB-Achse (Schlagen) sind für die Spannungen in der Nabe, die Auslenkung der Blattspitze, die Auswahl des Drehzahlbereichs und nicht zuletzt für die Aerodynamik von Bedeutung. Die Eigenmoden stellen dann ein Problem dar, wenn Sie besonders schwach gedämpft sind. Dies ist insbesondere bei der Schwenkbewegung ("Edgewise") der Fall, da in dieser Richtung das Blatt der Windströmung einen besonders kleinen Widerstand leisten soll.

Die Wirkung von passiven Schwingungstilgern auf ein zu beruhigendes Rotorblatt-System hängen von der Dämpfung, der Steifigkeit (oder Frequenz) und der Masse des Tilgers ab. Um mit einer bestimmten Masse eine Frequenz von 0,5 - 1 ,5 Hz im Rotorblatt zu erreichen, benötigt man ein Federsystem, das zum einen die ausreichende Steifigkeit liefert, das aber auch die großen Wege von mehr als 1 m lebensdauerfest gewährleisten kann. Gleichzeitig sollte die Feder ein lineares Verhalten haben, das heißt die Federkraft sollte proportional zu Feder-Einfederung sein. Dies ist insbesondere für den Rotorblatt-Tilger der Fall, da sich durch die statische Einfederung der Arbeitspunkt des Tilgers stetig verändert.

Es bestand somit die Aufgabe, einen Schwingungstilger für die Dämpfung von

Eigenfrequenzen von unter 10 Hz, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 Hz, in Rotorblättern oder auch an anderen Positionen und Einrichtungen in der Windkraftanlage oder einer Anlage oder einem Bauwerk mit ähnlichen Schwingungsbedingungen zur Verfügung zu stellen, welche in ihrer Funktion darauf beruhen, dass die Federkraft des Tilgers im

Wesentlichen proportional zur Einfederung ist unter gleichzeitiger Wahrung eines kleinen Bauraumes und einer relativ geringen Tilgermasse bei optimierter Positionierung des Tilgers im Rotorblatt oder anderswo. Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch die Bereitstellung einer neuartigen

magnetischen Feder gelöst, welche ein funktionstechnisch wesentliches Bauteil für die neuartigen erfindungsgemäßen Rotorblatt-Schwingungstilger oder anderer Schwingungstilger darstellt.

Das neue Federsystem basiert auf der magnetischen Anziehung bzw. Abstoßung von einem bewegten Teil (2) und einem stationären Teil (1) (siehe Fig. 1 ). Das neue Federsystem kann auch für andere Einsätze in einer Windkraftanlage oder auch in anderen technischen

Anwendungen eingesetzt werden, die ähnliche Voraussetzungen aufweisen.

Das bewegte Teil, das stehende Teil oder beide Teile erzeugen ein magnetisches Feld (dauermagnetisch oder elektromagnetisch). Das jeweilige Gegenstück kann auch aus einem ferromagnetischem, also magnetisierbaren Material bestehen.

Wichtig ist, dass magnetische Polarisierung so gewählt wird, dass sich bewegbares (2) und stationäres Teil (1) mittels der gegenüberliegenden magnetisch wirksamen Flächen (1.1 )(2.1) magnetisch entweder anziehen oder magnetisch abstoßen (siehe Fig. 2). Ferner ist erfindungswesentlich, dass sich während der Bewegung, die magnetische Anziehungs- oder Abstoßungskraft zwischen den Teilen (1) und (2) ändert also, zu- oder abnimmt und zwar vorzugsweise linear mit der Bewegung.

Dies lässt sich erfindungsgemäß durch eine während der Bewegung abnehmende (bei magnetischer Anziehung) oder zunehmende (bei magnetischer Abstoßung)

Überlappungsfläche (3) der beiden Teile realisieren. In beiden Fällen wird eine Rückstellkraft auf das bewegte Teil generiert, die es, sofern es die anderen konstruktiven Maßnahmen ermöglichen, in die Ausgangslage zu Beginn der Bewegung zurückkehren lässt.

Das Prinzip wirkt also so wie eine Feder, und das erfindungsgemäße System kann daher als magnetische Feder bezeichnet werden. Wird nun beispielsweise die Fläche des ruhenden Teils mit einem entsprechenden Außenkantenprofil (1.2) versehen, welches im Wesentlichen einer in Bewegungsrichtung sich schließenden Parabel (bei magnetischer Anziehung) oder einer in Bewegungsrichtung sich öffnenden Parabel (bei magnetischer Abstoßung entspricht, so ist die Rückstellkraft proportional zur Auslenkung aus der Ruhelage des bewegten Teils, und das erfindungsgemäße System kann als lineare Magnetfeder bezeichnet werden.

Das Prinzip funktioniert auch dann, wenn Teil (2) stationär ist und Teil (1) an Teil (2) vorbeigeführt wird. Die hier vorgestellte lineare Magnetfeder ist üblicherweise positiv, d.h. bei sich magnetisch anziehenden bewegten Bauteilen muss die magnetisch wirksame Überlappungsfläche bei der Bewegung abnehmen, damit die Rückstellkraft proportional zur Auslenkung aus der Ruhe- oder Mittellage ist. Umgekehrt muss die magnetisch wirksame Überlappungsfläche bei der Bewegung zunehmen, wenn die gegeneinander bewegten magnetisch wirksamen Bauteile sich abstoßen. Die lineare Magnetfeder kann man auch als„negative Feder“ verwenden. Wie bei der„positiven Feder“ liegt in der Mittel- bzw. Ausgangslage keine Kraft (Moment) vor. Weicht allerdings der bewegte Teil (2) von dieser Lage ab, entsteht keine rückstellende, sondern eine auslenkende Kraft (Moment), die linear mit der Auslenkung aus der Mittel- Ausgangslage ansteigt

Dieses Feder-Design kann erfindungsgemäße auch als„negative Feder“ verwendet werden. Eine„negative lineare Magnetfeder“ gemäß der Erfindung erhält man z.B., wenn die beiden relativ zueinander bewegten Teile sich magnetisch anziehen und die gemeinsame

magnetisch wirksame Überlappungsfläche mit Zunahme der Auslenkung aus der Ruhe- oder Mittellage heraus gleichzeitig abnimmt. Eine„negative lineare Magnetfeder“ gemäß der Erfindung erhält man auch, wenn die beiden relativ zueinander bewegten Teile sich

magnetisch abstoßen und die gemeinsame magnetisch wirksame Überlappungsfläche mit Zunahme der Auslenkung aus der Ruhe- oder Mittellage heraus gleichzeitig zunimmt.

Das Verhalten einer solchen negativen linearen Magnetfeder kann auch als negative

Steifigkeit bezeichnet werden. Mit solch einer Feder, kann man z.B. bei Pendeltilgern für tiefe Frequenzen (<0,3Hz) die Pendellänge verkürzen um Platz, Material und Kosten zu sparen.

Mit der Verkürzung der Pendelstange geht eigentlich ein Anhebung der Frequenz einher. Mit der negativen lineare Magnetfeder kann diese Frequenz wieder abgesenkt werden.

Umgekehrt kann man mit einer positiven linearen Magnetfeder die Pendellänge

höherfrequenter Pendeltilger (>0,8Hz) verlängern um größere Amplituden des Tilgers zu realisieren.

Lineare Magnetfedern sind also auch zur Frequenzeinstellung von Pendeltilgern und anderen Tilgern geeignet.

Generell können die hier vorgestellten linearen Magnetfedern (negativ oder positiv) auch zur Frequenzeinstellung für Tilger, insbesondere Turmtilger insbesondere in Windkraftanlagen verwendet werden.

Generell ist es erfindungsgemäß auch möglich die beschriebene Magnetfeder auch durch erzeugte magnetische Wirbelströme, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, in analoger Weise zu betreiben. Wenn das bewegte oder das stehende Teil ein Dauermagnet oder Elektromagnet ist, dann kann das Gegenstück also eine Wirbelstrom generierende

Leiterfläche sein.

Das Gegenstück kann aber auch eine Fläche aus supraleitemden Material sein. Mit Hilfe von supraleitenden Flächen kann man eine reibungslose Führung realisieren. Das supraleitende Material verhindert dabei jegliche Abweichung von der vorgegebenen Bahn, verhindert aber gleichzeitig jeglichen Kontakt mit der Führungsbahn.

In allen Fällen ist die Proportionalität zwischen Auslenkung und Rückstellkraft des

bewegbaren Teils (1) für den Einsatz der erfindungsgemäßen Magnetfeder als

Schwingungstilger essentiell, da sich sonst die Schwingungseigenschaften des zu

dämpfenden Systems (z.B. eine Windkraftanlage) insbesondre bei starker Auslenkung aus der Mittelstellung wesentlich ändern würden. Die erfindungsgemäße Federanordnung entspricht also einer linearen Feder, die keinen formschlüssigen Kontakt zwischen

stationärem (1) und bewegtem Teil (2) erfordert.

Gegenstand der Erfindung ist generell eine Magnetfeder umfassend ein stationäres Bauteil (1 ) und ein durch eine ausgeübte Kraft bewegbares Bauteil (2), welche sich gegenseitig magnetisch anziehen und / oder abstoßen, oder zwischen denen bei relativer Bewegung gegeneinander ein Wirbelstrom erzeugt wird, wobei jedes Bauteil mindestens eine

magnetische oder magnetisierbare Fläche (1.1)(2.1 ) aufweist, und diese Flächen durch einen Luftspalt (4) oder eine Trennschicht (4a) voneinander getrennt gegenüber angeordnet sind und eine gemeinsame magnetisch wirksame Überlappungsfläche (3) bilden, wobei bei einer relativen Linear- oder Drehbewegung der besagten Flächen (1.1 )(2.1 ) zueinander, sich der Betrag der magnetisch wirksamen Überlappungsfläche (3) vergrößert oder verkleinert und somit sich der Betrag der besagten magnetischen Anziehungs- oder Abstoßungskraft zwischen den Teilen (1 ) und (2) entsprechend ändert, und hierdurch bewirkt wird, dass eine Rückstellkraft bzw. Rückstellmoment oder eine Auslenkkraft bzw. Auslenkmoment auf das durch die ausgeübte Kraft bewegte Bauteil (2) in Richtung seiner Ausgangsposition oder Mittellage oder entgegengesetzt aus dieser heraus vorhanden ist, welche im Wesentlichen proportional zum zurückgelegten Weg des bewegten Bauteils (2) ist.

Die erfindungsgemäße Magnetfeder zeichnet sich dadurch aus, dass die Änderung des Betrages der wirksamen Überlappungsfläche (3) dadurch bewirkt wird, dass mindestens eine der besagten Flächen (1.1 )(2.1 ) ein formbestimmendes Außenkantenprofil (1.2)(2.5) aufweist, welches so gestaltet ist, dass bei Bewegung der Bauteile (1 )(2) gegeneinander besagte Veränderung des Betrages der gemeinsamen magnetisch wirksamen Überlappungsfläche (3) und damit der Anziehungs- oder Abstoßungskraft der Bauteile eintritt.

Das Außenkantenprofil (1.2) der magnetischen oder magnetisierbaren Fläche (1.1) des stationären Bauteils (1) oder das Außenkantenprofil (2.5) der magnetischen oder

magnetisierbaren Fläche (2.1 ) des bewegbaren Bauteils (2) weist dabei gemäß der

Erfindung im Wesentlichen die Form einer Parabel, Ellipse oder eine Kreisform, oder Teilen davon auf.

In einer Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich die Magnetfeder dadurch aus, dass das Außenkantenprofil (1.2) der magnetischen oder magnetisierbaren Fläche (1.1 ) des

stationären Bauteils (1) im Wesentlichen die Form einer Parabel oder einer Kreisform aufweist, und die Parabelform der besagten mindestens einen Fläche (1.1 ) des stationären Bauteils (1 ) so ausgerichtet ist, dass sie bei Bewegung des bewegbaren Bauteils (2) aus der Ausgangsposition heraus gegenüber dem stationären Bauteil (1 ) abfällt oder ansteigt.

Gegenstand der Erfindung ist weiter eine entsprechende Magnetfeder, bei der die Änderung des Betrages der magnetisch wirksamen Überlappungsfläche (3) dadurch bewirkt wird, dass bei der Bewegung der Bauteile (1)(2) gegeneinander die Dicke des Luftspaltes (4) oder der Trennschicht (4a), und damit die Anziehungs- oder Abstoßungskraft der Bauteile vergrößert oder verkleinert wird. Insbesondere kann die Dicke des Luftspaltes (4) oder der Trennschicht (4a) bei der Bewegung der Bauteile (1)(2) dadurch vergrößert oder verkleinert werden, dass eine der besagten Flächen (1.1 )(2.1 ) gegenüber der anderen gegenüberliegenden Fläche ein abweichendes Flächenprofil (1.6)(2.6) aufweist, das so gestaltet ist, dass die

Federrückstellkraft eine lineare Funktion der auslenkenden Bewegung der Bauteile ist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich die Magnetfeder dadurch aus, dass das bewegbare Bauteil (2) mindestens eine magnetische oder magnetisierbare Fläche (2.1) und das stationäre Bauteil (1) mindestens eine magnetische oder magnetisierbare Fläche (1.1) aufweist, wobei diese Flächen so magnetisch polarisiert sind, dass sie sich magnetisch anziehen (positive lineare Magnetfeder) oder abstoßen (negative lineare

Magnetfeder), und die gemeinsame magnetisch wirksame Überlappungsfläche (3) bei Bewegung des bewegbaren Bauteils (2) gegenüber dem stationären Bauteil (1 ) mit zurückgelegtem Weg verkleinert wird.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich die Magnetfeder dadurch aus,, dass das bewegbare Bauteil (2) mindestens eine magnetische oder magnetisierbare Fläche (2.1) und das stationäre Bauteil (1 ) mindestens eine magnetische oder magnetisierbare Fläche (1.1) aufweist, wobei diese Flächen so magnetisch polarisiert sind, dass sie sich magnetisch abstoßen oder anziehen, und die gemeinsame magnetisch wirksame

Überlappungsfläche (3) bei Bewegung des bewegbaren Bauteils (2) gegenüber dem stationären Bauteil (1) mit zurückgelegtem Weg vergrößert wird.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Magnetfeder umfassend ein stationäres Bauteil (1) und ein durch eine ausgeübte Kraft bewegbares Bauteil (2), welche sich gegenseitig magnetisch anziehen und / oder abstoßen, oder alternativ zwischen denen bei relativer Bewegung gegeneinander ein Wirbelstrom erzeugt wird, wobei jedes Bauteil mindestens eine magnetisch wirksame Fläche (1.1 )(2.1 ) aufweist, und diese Flächen durch einen Luftspalt (4) voneinander getrennt gegenüber angeordnet sind und einen gemeinsamen, magnetisch wirksamen, sich bei Bewegung verändernde Überlappungsfläche (3) bilden,

wobei mindestens eine der besagten Flächen (1.1 )(2.1 ), vorzugsweise die Fläche (1.1 ) des stationären Teils, ein formbestimmendes Außen kanten profil (1.2), vorzugsweise eine in Bewegungsrichtung sich schließende bzw. abfallende oder sich öffnende bzw. steigende Kurve in Form einer mathematischen Parabel, aufweist, wobei durch die Bewegung der Bauteile gegeneinander eine Veränderung der Größe der gemeinsamen magnetisch wirksamen Überlappungsfläche (3) in der Weise bewirkt wird, so dass aufgrund der jeweils vorliegenden magnetischen Anziehung und/oder Abstoßung oder dem bei Bewegung erzeugten Wirbelstrom immer eine Rückstellkraft oder eine Auslenkkraft auf das durch die ausgeübte Kraft bewegte Bauteil (2) in Richtung seiner Ausgangsposition oder Mittellage oder aus dieser heraus vorhanden ist, welche proportional zum zurückgelegten Weg des bewegten Bauteils (2) ist.

Der wesentlich Vorteil dieses erfindungsgemäßen Aufbaus ist also, dass:

• keine Federelemente ermüden können,

• keine Stahlfeder vonnöten ist,

• große Wege bei niedrigen Frequenzen möglich sind, und

• die Feder linear ist.

Die Relativbewegung zwischen bewegbarem (2) und stationärem Teil (1), d.h. die Führung des einen Teils gegenüber dem anderen, kann auf vielerlei Weise in an sich bekannter Weise bewerkstelligt werden. Beispiele für das bewegte Teil (2) sind: hydrostatischer Auftrieb: durch die Einbettung des bewegten Teils (2) in eine

Flüssigkeit. Das Volumen und die Masse des bewegten Teils (2) muss so gewählt werden, dass durch den Auftrieb die Anziehungskräfte und eventuell Gewichtskräfte und Zentrifugalkräfte überwunden werden können und somit eine Relativbewegung in x-Richtung möglich ist.

hydrodynamischer Auftrieb:. Der hydrodynamische Auftrieb muss durch die Wahl der Auftriebsflächen am bewegten Teil (2), Viskositäten der Trägerflüssigkeit an dem bewegten Teil (1) so gewählt werden, dass durch den Auftrieb die Anziehungskräfte und eventuell Gewichtskräfte und Zentrifugalkräfte überwunden werden können. Für den hydrodynamischen Auftrieb muss allerdings eine Grundgeschwindigkeit vorhanden sein.

Gleitlagerung zwischen stationärem (1 ) und bewegtem Teil (2)

Rollenlagerung zwischen stationärem (1 ) und bewegtem Teil (2)

Supraleitung: Der bewegte Teil (2) oder der stationäre Teil (1 ) sind aus

supraleitendem Material und das Gegenstück aus Dauermagneten oder

Elektromagneten aufgebaut. In diesem Fall wird der bewegte Teil (2) reibungsfrei und kontaktlos in der durch den stationären Teil (1) vorgegeben Bahn gehalten.

Gleit- und Rollenlagerung sind in der Regel die technisch einfacheren und wirtschaftlich günstigeren Lösungen und werden auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Magnetfeder vorzugsweise eingesetzt.

In besonderen Ausführungsformen der Erfindung besitzt die Magnetfeder eine Leiterfläche (1.4)(2.3), die auf einer Fläche eines Stahlträgerteils (1 5)(2.4)angebracht oder mit dieser verbunden ist. Die Leiterfläche (1.4) (2.3) oder die Fläche des Stahl-Trägerteils (1.5)(2.4) weist ein Außenkantenprofil im Wesentlichen in Form einer Parabel auf, welche bei

Bewegung des bewegbaren Bauteils (2) aus der Ausgangsposition heraus gegenüber dem stationären Bauteil (1) abfällt oder ansteigt.

Das oben beschriebenen erfindungsgemäße Magnetfeder-Prinzip ist erfindungsgemäß insbesondere für den Einsatz und die Verwendung in Schwingungsdämpfern, insbesondere für Windkraftanlagen oder schwingungstechnisch ähnliche Anlagen und Bauwerke entwickelt worden.

Gegenstand der Erfindung ist somit Schwingungstilger umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Magnetfeder, ein Dämpfungselement sowie eine Tilgermasse.

Dabei wird prinzipiell die durch die entsprechend der Eigenfrequenz des

Schwingungssystems erzeugten Schwingungen in Bewegung gesetzte Tilgermasse durch die Rückstellkraft der erfindungsgemäßen Magnetfeder wieder in die Ausgangslage oder zumindest in deren Richtung zurückgeführt. In der Regel reicht der Federdämpfungseffekt der Magnetfeder alleine nicht aus, um ein komplexes und großes Schwingungssystem, wie eine Windkraftanlage ausreichend zu dämpfen. Daher wird in den meisten Fällen ein zusätzliches Dämpfungselement, wie beispielsweise ein Reibungsdämpfer, ein Fluiddämpfer oder ein Wirbelstromdämpfer oder eine Kombinationen verschiedener Dämpfer benötigt.

Bekannte Techniken sind beispielsweise:

Wirbelstrom: Da sich in dem Tilger bewegte Magnete befinden, bietet es sich an die Dämpfung durch Wirbelstrom zu erzeugen. Dazu muss allerdings ein leitendes Metall in den Tilger eingefügt werden, in dem bei der Bewegung der Magnete auf (2)

Wirbelstrom induziert werden kann.

- Coulombsche Reibung: Zwischen bewegtem Teil (2) und stationärem Teil (1 ) wird eine definierte Reibfläche angeordnet, die die gewünschte Tilgerdämpfung erzeugt indem Energie dissipiert wird. Diese Reibfläche kann ein Gleitlager sein.

Fluiddämpfung: wird zwischen stehendem und drehendem Teil eine viskose

Flüssigkeit angeordnet kann durch geeignete Anordnung von Kanälen und

Zwischenräumen eine viskose Dämpfung erzeugt werden, die der Bewegung des bewegten Teils (2) entgegenwirkt.

Die erfindungsgemäße Magnetfeder ist vorzüglich für den Einsatz in Schwingungstilgern für Rotorblätter von Windkraftanlagen geeignet.

Gegenstand der Erfindung ist somit insbesondere auch ein Rotorblatt-Tilger, bei dem das bewegbare Bauteil (2) eine Blatt-Tilgermasse (6.3) umfasst, die mit Magneten (6.5) ausgestattet und mittels einer Führungsvorrichtung (6.8) hin- und her bewegbar ist, und das stationäre Bauteil (1) ein rundes oder eckiges Rohr (6.2) mit mindestens einer mit Magneten (6.5') versehenen Innenfläche (1.1) umfasst, innerhalb von diesem die Blatt- Tilgermasse (6.3) und die Führungsvorrichtung ( 6.8) angeordnet sind,

wobei die Blatt-Tilgermasse (6.3) mindestens eine Außenfläche aufweist, die im

Wesentlichen der mindestens einen magnetisch wirksamen Innenfläche (1.1) des stationären Bauteils (1 ) gegenüberliegt, welche durch ihr besagtes formbestimmendes Außenkantenprofil (1.2) definiert ist, und beide Flächen durch einen im Wesentlichen konstanten Luftspalt (6.7) voneinander getrennt sind.

Der erfindungsgemäße Rotorblatt-Tilger zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Magnete (6.5) und (6.5') sich anziehen und das formbestimmendes Außenkantenprofil der magnetisch wirksamen Innenfläche (1.1) im Wesentlichen die Form einer Parabel aufweist, welche so ausgerichtet ist, dass sie bei Bewegung der Blatt-Tilgermasse (6.3) aus der Ausgangsposition heraus gegenüber dem runden oder eckigen Rohr (6.2) abfällt.

Dabei können in einer Ausführungsform die Magnete (6.5) (6.5') sich abstoßen und das formbestimmendes Außenkantenprofil der magnetisch wirksamen Innenfläche (1.1)(2.1 ) weist im Wesentlichen die Form einer Parabel auf, welche so ausgerichtet ist, dass sie bei

Bewegung der Blatt-Tilgermasse (6.3) aus der Ausgangsposition heraus gegenüber dem runden oder eckigen Rohr (6.2) ansteigt.

In einer anderen Ausführungsform weist die Magnetfeder (i) Bereiche aufweist, in denen die Magnete (6.5) (6.5') sich anziehen und das formbestimmendes Außenkantenprofil der magnetisch wirksamen Innenfläche (1.1 )(2.1 ) im Wesentlichen die Form einer Parabel aufweist, welche so ausgerichtet ist, dass sie bei Bewegung der Blatt-Tilgermasse (6.3) aus der Ausgangsposition heraus gegenüber dem stationären Rohr (6.2) abfällt, (ii) und weist ferner Bereiche auf, in denen die Magnete (6.5) (6.5') sich abstoßen und das

formbestimmendes Außenkantenprofil der magnetisch wirksamen Innenfläche (1.1 )(2.1 ) im Wesentlichen die Form einer Parabel aufweist, welche so ausgerichtet ist, dass sie bei Bewegung der Blatt-Tilgermasse (6.3) aus der Ausgangsposition heraus gegenüber dem stationären Rohr (6.2) ansteigt.

Einzelheiten und spezielle Ausführunqsformen der Erfindung:

Unter dem Begriff "magnetisch wirksam", oder "magnetisch wirksame Fläche" im

Zusammenhang mit in dieser Erfindung eingesetzten Bauteilen, wie er erfindungsgemäß verwendet wird, ist die Eigenschaft der besagten Bauteile zu verstehen, dass sie oder Bereiche oder Flächen davon magnetisch oder magnetisierbar sind und sich diese Bauteile, Bereiche oder Flächen bei entsprechender Nähe zueinander anziehen oder abstoßen, entsprechend der Polung der verwendeten Permanentmagnete und / oder Elektromagnete oder durch Einfluss von erzeugten Wirbelstromfeldern oder supraleitenden Materialien.

Fiq. 1 stellt das erfinderische Magnetfederprinzip dar für den Fall, dass Teil (2) das bewegte Teil ist, und sich Teil (1) und Teil (2) magnetisch anziehen:

Der mit A schraffierte Bereich entspricht der Region gegenseitiger magnetischer Anziehung der beiden Teile (1) und (2). Wie zu sehen, nimmt diese nach außen entsprechend der Gestaltung der Fläche des stationären Teils (1) ab. Die Ausgangslage des bewegbaren Teils (2) ist in der Regel in der Mitte der Federvorrichtung (Mittellage, X=0), kann aber auch davon versetzt sein. Damit sich die beiden Teile anziehen, sind sie mit gegenüberliegenden

Magneten (Permanentmagnete oder Elektromagnete) bestückt, welche unterschiedlich gepolt sind, so dass es hier zur magnetischen Anziehung kommt.

Die Bereiche der Teile, welche mit magnetisch oder magnetisierbar sind, werden erfindungsgemäß als magnetisch wirksame Flächen bezeichnet.

Wird das bewegte Teil (2) mittels äußerer Kräfte relativ zu Teil (1 ) in X oder (-X)-Richtung verschoben, kommt es - auf Grund der nach außen abnehmenden Verkleinerung der magnetisch wirksamen Fläche (1.1) von Teil (1) - auch zu einer Verkleinerung der Kontakt- bzw. Überlappungsfläche (3) zwischen Teil (1 ) und Teil (2) und damit zu einer Abnahme der magnetischen Anziehung. Dies führt dazu, dass Rückstellkräften auf das bewegbare Teil in der x-Richtung auftreten, und zwar in Richtung der Mittelstellung (x=0).

Die Form des stationären Teils (1) bzw. dessen magnetisch wirksame Fläche (1.1 ) ist so gewählt, dass die Rückstellkraft auf das bewegte Teil (2) im Wesentlichen proportional zur Auslenkung des bewegten Teils (2) in x-Richtung ist. Dies ist gewährleistet, wenn das

Außenkantenprofil (1.2) des stationären Teils (1) die Form einer Parabel besitzt, deren Hauptachse mit der x-Achse ( = Bewegungsrichtung des Teils (2)) identisch ist, und die sich nach rechts und links außen jeweils schließt. Zur einfacheren Fertigung kann die Parabel auch durch einen Kreisbogen angenähert werden, ohne dass die Linearität der Feder wesentlich darunter leidet.

Im vorliegenden Fall verkleinert sich die magnetisch wirksam Überlappungsfläche der bewegten Teile, welche sich gegenseitig magnetisch anziehen.

Bei gleichem Federprofil-Design aber mit sich magnetisch abstoßenden Teilen (1 )(2) erhält man eine "negative" Linearfeder.

Für den Fall, dass Teil (2) das bewegte Teil ist und sich Teil (1) und Teil (2) magnetisch abstoßen ist das Prinzip in Fig.2 darqestellt:

Der mit B schraffierte Bereich entspricht der Region gegenseitiger magnetischer Abstoßung der beiden Teile (1) und (2). Wie zu sehen, nimmt diese nach außen entsprechend der Gestaltung der Fläche des stationären Teils zu. Die Ausgangslage des bewegbaren Teils (2) ist auch hier in der Regel in der Mitte der Federvorrichtung (Mittellage, X=0), kann aber auch davon versetzt sein. Damit sich die beiden Teile abstoßen, sind sie mit gegenüberliegenden Magneten bestückt, welche gleichgepolt sind. Wird das bewegte Teil (2) mittels äußerer Kräfte relativ zu Teil (1 ) in X oder (-X)-Richtung verschoben, kommt es - auf Grund der nach außen zunehmenden Vergrößerung der magnetisch wirksamen Fläche (1.1 ) von Teil (1) - auch zu einer Vergrößerung der Kontakt- bzw. Überlappungsfläche (3) zwischen Teil (1 ) und Teil (2) und damit zu einer Zunahme der magnetischen Abstoßung. Somit kommt es auch bei dieser Konstellation zu Rückstellkräften des bewegbaren Teils (2) in der X-Richtung, und zwar in Richtung der Mittelstellung (x=0).

Die Form des stationären Teils (1 ) bzw. dessen magnetisch wirksame Fläche (1.1) ist auch hier so gewählt, dass die Rückstellkraft auf das bewegte Teil (2) im Wesentlichen proportional zur Auslenkung des bewegbaren Teils (2) in x-Richtung ist. Dies ist gewährleistet, wenn das Außenkantenprofil (1.2) des stationären Teils (1) die Form einer Parabel oder einer

angenäherten Form einer Parabel oder eines Kreises besitzt, deren Hauptachse mit der x- Achse ( = Bewegungsrichtung des Teils (2)) identisch ist, und die sich nach rechts und links außen jeweils öffnet.

Bei gleichem Federprofil-Design aber mit sich magnetisch anziehenden Teilen (1)(2) erhält , man auch hier eine "negative" lineare Magnetfeder.

Es ist erfindungsgemäß auch möglich, das beschriebene magnetisch anziehende und das magnetisch abstoßende Prinzip miteinander zu kombinieren, wodurch die Wirkung der

Rückstellung und somit die Rückstellkraft des bewegbaren Teils (2) in die Ausgangslage erhöht werden kann.

Dies ist in Fiq. 3 dargestellt: Im ersten Bereich nach Auslenkung aus der Mittelage

überstreicht das bewegbare magnetische Teil (2) den magnetisch unterschiedlich gepolten Bereich A des stationären Teils (1) bzw. seiner magnetische wirksamen Fläche (1.1) mit abnehmender magnetischer Anziehung. Somit stellt sich eine Rückstellkraft auf das

bewegbare Teil (2) ein. Diese wird nun verstärkt, wenn das bewegbare Teil (2) bei weiterer Auslenkung beginnt, den Bereich B des stationären Teils mit zunehmender magnetischer Abstoßung zu überstreichen bis es zum Stillstand kommt und zurück in die Ausgangslage (Mittellage) geführt wird. Fig 4 und 5 stellen den Einbau einer erfindungsgemäßen Magnetfeder in einem Rotorblatt einer Windkraftanlage dar und werden weiter unter ausführlich beschrieben

Fig 6 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotorblatt-Tilgers, wobei das bewegbare Teil (2) im Wesentlichen die Tilgermasse (6.3) ist, die als Scheibe mit einer mittigen Öffnung gestaltet ist und so auf einem Führungsrohr (6.8) entlang der gedachten x- Achse hin- und her verschiebbar ist, entsprechend der auf sie einwirkenden magnetischen Kräfte. Die Tilgermasse (6.3) umschließt somit das Rohr (6.8) und kann in einer weiteren Ausgestaltungsform eine Gleitfläche (6.4) aufweisen.

Die bewegbare scheibenförmige Tilgermasse (6.3) ist am äußeren Durchmesser bzw. am Umfang mit einem oder mehreren Magneten (6.5) bestückt, die alle mit der gleichen

Polarisierung nach außen bzw. nach innen zeigen, also radial ausgerichtete sind.

Die Führungsvorrichtung (6.8) ist zusammen mit der bewegbaren Tilgermasse im Inneren eines vorzugsweise runden Rohres (6.2) untergebracht, wobei sie entlang der Längsachse des Rohres (6.2) angeordnet ist. Das Rohr (6.2) kann gegebenenfalls in einer Gehäusestruktur (6.1) untergebracht sein und gegenüber dieser durch elastische Elemente (6.10) abgefedert sein.

Das innere Rohr (6.2) dient als stationäres Teil (1) der beschriebenen Magnetfeder und weist auf seiner Innenseite eine magnetisch wirksame Fläche (1 .1) bzw. in Bezug auf die magnetische Tilgermasse (6.3) magnetische anziehende (A) und / oder magnetisch abstoßende (B) Bereiche auf, welche einen über die Länge des Rohrs (6.2) im Wesentlichen konstanten spaltförmigen Abstand (6.7) zur scheibenförmigen, auf der Führungsvorrichtung (6.8) geführten Tilgermasse (6.3) besitzen.

Die magnetisch wirksame Fläche (1.1 ) der Innenseite des (stationären) Rohrs (6.2) ist in Fig. 6 so gestaltet, dass die magnetische Wirkung nach außen abnimmt, wobei im konkreten Fall, die Polung der ebenfalls radial ausgerichteten Magnete (6.5') auf der Innenseite des Rohrs (6.2) gegensätzlich zur Polung der Magnete (6.5) auf der bewegbaren Tilgermasse sein muss. Dies bedingt, dass es insgesamt zu einer Anziehung von bewegbaren Teil und stationärem Teil kommt, die mit zunehmender Auslenkung des bewegbaren Teils

(Tilgermasse) abnimmt, wodurch eine Rückstellkraft auf das bewegbare Teil generiert wird.

In einer weiteren Ausgestaltung kann, wie in Fig. 6 angedeutet, das Innere des

Führungsrohrs (6.8) eine mit magnetischen Partikeln versehene viskose Flüssigkeit enthalten, welche, wie oben dargelegt, eine Dämpfungsfunktion bewirkt. Weiterhin kann als Dämpfungseinheit eine Wirbelstromvorrichtung vorgesehen werden. So kann das

Führungsrohr (6.8) aus einem nicht magnetisierbaren Leitermaterial, wie Aluminium oder Kupfer gefertigt sein, so dass bei Bewegung der mit Magneten bestückten Tilgermassen- Scheibe entlang des Rohrs (6.8) ein Wirbelstrom erzeugt wird, dessen Magnetfeld dem ursprünglichen Magnetfeld der Permanentmagnete entgegenwirkt und so zur Rückstellkraft der bewegbaren Tilgermasse beitragen.

Fig. 7 (a)(b) beschreibt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Schwingungstilgers für ein Rotorblatt einer Windkraftanlage oder ähnlichen Maschine. In einem analog Fig. 6 entsprechenden, jedoch rechteckigem Gehäuse oder Rohr (6.1.)(6.2) ist im Inneren von (6.2) die bewegbare Tilgermasse (6.3) in Form einer Laufrolle (6.12) untergebracht, welche auf der (Gleit-) Fläche (6.4') am Boden des länglichen Rohrs/Gehäuses (6.2) entlang der

Längsachse hin- und her rollen kann. Die als Laufrolle (6.12) ausgebildete Tilgermasse (6.3) besitzt an ihrem Umfang radial ausgerichtete Magnete (6.5) sowie ggf. ebenfalls eine

Gleitfläche (6.4). Zur Unterseite des oberen Randes der Gehäusestruktur (6.2) hat die Laufrolle einen über die gesamte Länge des Rohrs/Gehäuses konstanten kleinen Abstand (6.7). Auf dieser Unterseite von (6.2) sind in ihrer einheitlichen Polung nach innen gerichtete Magnete (6.5') auf entsprechend gestalteten Flächenprofilen angeordnet, so dass es zu der oben beschriebenen magnetischen Wechselwirkung zwischen dem bewegbaren Tilgermassen-Bauteil und dem stationären Teil des beschriebenen Gehäuseteils kommt. Im konkreten Fall ist der magnetisch wirksame Bereich A so gestaltet und gepolt, dass es zu einer magnetischen Anziehung der magnetischen Laufrolle (6.12) kommt mit einer Richtung Rohrenden abnehmenden Wirkung. Zusätzlich sind in den äußeren Bereichen des

Rohrs/Gehäuses noch Flächenabschnitte B mit zunehmender Magnetkraft vorhanden. In diesem Bereich haben die Magnete die gleiche Polarisierung wie auf der Laufrolle, so dass deren Bewegung zu einer verstärkten magnetischen Abstoßung und damit zu einer erhöhten Rückstellkraft führt.

Optional kann die Unterseite von (6.2) zusätzlich eine Trägerstruktur (6.1 1 ) aufweisen, die ggf. auch aus einem Leitermaterial (Aluminium) gefertigt sein kann, so dass zusätzlich ein die Rückstellkraft der Laufrolle (6.12) verstärkender Wirbelstrom generiert wird.

Der Einbau eines solchen erfindungsgemäßen Rotorblatt-Tilgers in den Flügel eines Rotors ist den Fiq. 4 und 5 zu entnehmen.

Für eine optimale Wirkung des Rotorblatt-Tilgers gegen die erste Schwenkeigenfrequenz des Rotorblatts (5) (Biegung des Blatts um die XB-Achse) muss der Tilger möglichst in der Nähe der Blattspitze eingebaut werden, d.h. der Parameter a in Fig. 4 muss möglichst groß gewählt werden. Da in der Nähe der Blattspitze der Bau- und Bewegungsraum für den Tilger immer kleiner wird, ist die Wahl von a von der Geometrie des Blatts abhängig. In dem dargestellten Fall beträgt a = 0.6 - 0.8, vorzugsweise 0.7. Gleichzeitig zeigt die

Bewegungsachse, bzw. die Rotationsachse des Schwingungstilgers (5.2) in YB-Richtung. Es sind auch Tilger in die Schlagrichtung (Drehung um YB) denkbar, werden aber hier nicht weiter betrachtet, da in dieser Richtung die aerodynamische Dämpfung meist höher ist als in Schlagrichtung und ein Tilger geringe Wirkung zeigt.

Um die Tiefe des Blatts optimal auszunutzen, muss die innere Kastenstruktur des Blatts (5.1) von dem Tilger durchdrungen werden. Da der Tilger aber selber eine Struktur darstellt, kann das äußere Rohr des Tilgers (5.2) auch als Strukturelement des Blatts verwendet werden. So wird die Blattstruktur durch den Tilger nicht geschwächt.

Um eine Verformung der inneren Tilgerstruktur zu verhindern, kann der Tilger auch in einem extra Rohr (6.2) innerhalb des„Strukturrohrs“ (6.1) verbaut werden. In diesem Fall können Federelemente (6.10) zwischen der äußeren und inneren Gehäusestruktur vorgesehen werden. Gleichzeitig müssen aber die schwingungsreduzierenden Kräfte des Tilgers auf das Strukturrohr und damit auf das Blatt übertragen werden können. Daher sollte das

Federelement (6.10) in der axiale Steifigkeit wesentlich steifer gewählt werden als in radialer Richtung. Eine Gummi-Kunststoffteil mit einer oder mehrerer Schichten in axialer Richtung ist dafür gut geeignet. Diese Federlagerung des inneren Rohrs (6.2) kann gleichzeitig dazu genutzt werden um erhöhte Kräfte durch Anschläge der Tilgermasse (6.3) an dem inneren Rohr (6.2) gegenüber dem„Strukturrohr“ (6.1 ) zu dämpfen und abzusenken.

Je nach Größe des Rotorblattes einer Windkraftanlage variiert die geeignete Länge eines entsprechenden Schwingungstilgers zwischen 100 - 150 cm bei einem Durchmesser bzw. einer Dicke von 30 - 50 cm, wobei Abweichungen davon sowohl nach oben als auch nach unten möglich sind.

Die erfindungsgemäße Magnetfeder ist ebenso bestens für den Einsatz von Pendeltilgern als auch pendelfreien Schwingungstilgern in Türmen von Windkraftanlagen geeignet, da auch hier sehr oft Platzprobleme bestehen.

Fig. 8 zeigt einen Wirbelstromdämpfer des Standes der Technik , welcher so umgestaltet wurde, dass er das Prinzip der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Magnetfeder in sich vereinigt, wodurch eine stark erhöhte Dämpfungswirkung auf die Tilgermasse bewerkstelligt werden kann.

Der in Fig. 8(A) gezeigte Dämpfer (7) ist z.B. in der WO 2016/023628 und der WO

2017/084747 beschrieben. Er besteht im Wesentlichen aus einem äußeren Rohr (7.1) und einem inneren verschiebbaren Rohr (7.3) aus Aluminium oder einem anderen nicht magnetisierbaren Leitermaterial. Beide Rohre werden durch eine Führungsvorrichtung (7.5), beispielsweise eine Rollenlagerung oder eine Gleitlagerung auf Abstand (7.4) gehalten, so dass sie problemlos gegeneinander bewegt werden können. Die Innenseite des äußeren Strukturrohres ist mit radial ausgerichteten Magneten (7.2) gleicher Polarisierungsrichtung ausgestattet, so dass bei Bewegung des inneren Leiter-Rohres eine Wirbelstrom erzeugt wird, welcher dem ursprünglichen Magnetfeld entgegenwirkt und so eine Bremswirkung der Bewegung des inneren Rohres verursacht. Eine am Strukturrohr oder am Leiterrohr mittels Anbindungspunkten (7.8)(7.9) angebrachte Tilgermasse (in Fig. 8 nicht gezeigt) kann somit die Dämpfung des Systems vornehmen.

Dies ist in Fig. 9 mit zwei derartigen senkrecht zueinander angebrachten Tilger-Elementen und einer, hier pendellosen Tilgermasse (8.3) prinzipiell gezeigt. In Ergänzung und

Abweichung zu den bekannten System des Standes der Technik weist das innere Leiterrohr in seinem Inneren ein mit ihm fest verbundenes und mitbewegbares Stahl- oder Eisenrohr (7.6) auf, welches keine homogene sondern eine geschlitzte Oberflächenstruktur (7.7) auf. Die geschlitzte Oberfläche (7.7) besitzt dabei ein Außenkantenprofil in Form von

mathematischen Parabeln, so dass entsprechende magnetisch wirksame Flächen entstehen, wie dies oben bei der Darlegung des Prinzips der erfindungsgemäßen magnetischen Federn erfolgt ist. Analog zu dem Prinzip der magnetische Feder wird eine resultierende Kraft zwischen Magnetdämpfer und Stahlrohr erzeugt, die in Richtung Mitte des geschlitzten Rohrs (7.6)(7.7) zeigt und ebenfalls proportional zur Auslenkung des bewegten Teils ist.

Hierdurch können die in der WO 2016/023628 genannten Dämpfungseigenschaften noch deutlich gesteigert werden auch im Vergleich zu Ausführungsformen, die ein nicht- geschlitztes Stahlrohr innerhalb des Leiterohrs aufweisen.

Fiq. 10 zeigt das erfindungsgemäße Prinzip der sich mit der Bewegung in Federrichtung ändernde Überlappungsfläche von zwei kreisrunden Bauteilen (26) und (27) realisiert in einer weiteren Ausführungsform: Die nicht-bewegte Scheibe (26) besteht aus einem Dauermagnet oder einem ferromagnetischen Material wie Stahl oder ähnlichem. Die Scheibe (27) liegt auf der Scheibe (26) auf und ist so relativ zu Scheibe (26) gelagert, dass zwischen (26) und (27) ein konstanter Abstand vorhanden ist. Dieser Abstand bzw. die Lagerung kann durch ein Lagermaterial (28), wie Gleit- oder Reibbeläge, Wasser oder ein Rollen- oder Wälzsystem erfolgen. Die Scheibe (27) besteht aus einem dauermagnetischen Material bzw. aus Stahl, wenn die Scheibe (26) dauermagnetisch ausgeführt ist.

Innerhalb der Umrandung von Scheibe (26) kann sich Scheibe (27) gemäß ihrer Führung frei bewegen. Nähert sich Scheibe (27) allerdings der Umrandung oder überschreitet sie sogar, wirkt eine näherungsweise lineare rückstellende Kraft F, die Scheibe (27) wieder innerhalb die Umrandung drücken will. Je weiter die Scheibe (27) über die Scheibe (26) hinausragt, desto stärker wird die Rückstellende Kraft. Diese Kraft wir erst wieder kleiner, wenn der Mittelpunkt der Scheibe (27) über den Rand der Scheibe (26) hinausragt.

Beispiele für mögliche Anwendungen dieser Ausführungsform sind Impulsdämpfer,

Anschlagpuffer, Turmtilger, sowie Bauteile für die Raumfahrt.

Fig. 1 1 zeigt in einer Drauf- und Seitenansicht eine erfindungsgemäße Magnetfeder, welche als Drehfeder konzipiert ist. Die nicht-bewegte Scheiben (29) besteht aus einem

Dauermagnet oder einem ferromagnetischen Material wie Stahl oder ähnlichem. Die Kontur dieser Scheiben und deren Anzahl (mindestens 1 ) legt die Rückstellende Wirkung in

Drehrichtung fest. Der drehende Ring (30) ist auf einer Welle (31) mit Gleit- oder Wälzlagern, Wasser, Reibbelägen gelagert und besteht aus mindestens einer radialen Strebe. Die

Streben können auf einem größeren Durchmesser noch einmal miteinander verbunden sein, sie können sich aber auch unabhängig voneinander bewegen. Der Ring wie auch die Streben kann aus ferromagnetischem oder dauermagnetischem Material bestehen, wenn die

Scheiben (29) aus Dauermagneten aufgebaut ist. Wenn die Scheibe (29) ferromagnetisch ist, muss die der Ring (30) dauermagnetisch sein. Besteht der Ring (30) aus ferromagnetischem Material und die Scheiben (29) aus Dauermagneten kann man den Ring aus einzelnen radial angeordneten Blechen zusammensetzen um Wirbelströme zu vermeiden, wenn diese nicht gewünscht sind. Auf der anderen Seite kann man Wirbelströme auch direkt nutzen, wenn z.B. bei Tilgern die Bewegung der Scheibe gedämpft werden soll. Wird nun der Ring (30) um einen Winkel F ausgelenkt ergibt sich gemäß des Prinzips der linearen Magnetfeder ein rückstellende Moment M, das linear mit der Winkel F ansteigt. Überschreitet der Winkel F einen gewissen Grenzwert (abhängig von der Anzahl der Scheiben (29)) rastet der Ring um 120° (in dem dargestellten Fall) weiter. Dadurch ist automatisch ein Überlastschutz bei Anfahrvorgängen o.ä. eingebaut. Man kann den Ring (30) auch in drei Teile aufteilen und die einzelnen Streben unabhängig voneinander bewegen lassen.

Damit erhält man ein Tilgersystem, dass sich in der Tilgerebene in alle Richtungen gleich verhält.

Es ist auch denkbar, dass man auf der Welle mehrere solcher System anordnet um die Federwirkung (Federkonstante) zu erhöhen.

Diese Ausführungsform kann beispielsweise Anwendung finden bei Torsionstilgern,

Turmtilgern, Uhrwerken, bei Messtechniken, und Magnetkupplungen mit linearem

Momenten/Drehwinkelverhalten.

Fiq. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche der Fig. 1 1 ähnelt und für die gleiche Anwendungen einsetzbar ist. Hier ist eine Tragstruktur (33) zentral auf einer Welle (34) gelagert. Die Magnete (35) sind allerdings separat radial angeordnet und bewegen sich an parabolisch geformten Bleche (32) vorbei. Die Bleche (32) können wiederrum aus Stahl, geblechten Stahl (zur Verhinderung von Wirkbelstrom), Elektromagneten oder

Dauermagneten hergestellt sein. Die Tragstruktur (33) muss nicht unbedingt aus vier Armen bestehen, sondern kann auch weniger Arme oder nur einen Arm aufweisen. Außerdem können die Arme auch unabhängig voneinander gelagert sein. Mit der unabhängigen

Lagerung kann man wiederum einen Tilger realisieren, der sich in der Tiglerebene in alle Richtung gleich verhält. Wird die Tragstruktur (33) durch einen Winkel F ausgelenkt, ergibt sich durch die Form der Bleche (32) eine lineares rückstellendes Moment M, das der

Auslenkung entgegenwirkt. Es ist auch denkbar, dass man auf der Welle mehrere solcher System anordnet um die Federwirkung (Federkonstante) zu erhöhen.

Fiq. 13 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform in Form einer

rotationssymmetrischen Federanordnung mit konischem Luftspalt. Die lineare Magnetfeder wird dabei durch eine elliptische Änderung des Luftspalts realisiert. Bei der Relativbewegung von Trägerstruktur mit Magneten (36) wird auf dem stehenden, nichtmagnetischem

Führungsrohr (39) wird durch das doppelkonische Innenrohr (37) eine lineare Rückstellkraft in Richtung Mittelstellung des Rohrs erzeugt. Das doppelkonische Innenrohr (37) nimmt im Durchmesser mit Abstand von der Mittelstellung elliptisch ab. Dies gewährleistet die lineare Rückstellkraft des bewegten Teils (36). Das Führungsrohr (38) kann hierbei aus Kupfer, Aluminium oder Kunststoff gefertigt sein. Besteht es aus Kupfer oder Aluminium entsteht in dem Führungsrohr (38) ein Wirbelstrom der als Dämpferkraft verwendet werden kann.

Fiq. 14 stellt analog Fig. 12 eine weitere erfindungsgemäße Drehfeder nach dem Prinzip der linearen Magnetfeder dar, wobei sich nicht nur die Fläche der Bleche parabolisch ändert, sondern auch ein vorhandener Luftspalt zwischen Magnet und Blechen, welcher sich mit der Bewegung elliptisch ändert. Dabei ist eine Tragstruktur (33) zentral auf einer Welle (34) gelagert. Die Magnete (35) sind radial angeordnet und bewegen sich an parabolisch geformten Bleche (32) vorbei. Zusätzlich oder ausschließlich können die Bleche so geformt werden, dass sich der Luftspalt zwischen Magnet und Blech bei der Drehung des Rotors elliptisch verändert. Durch die elliptische Änderung des Luftspalts führt eine

Winkelauslenkung F zu einem resultieren linearen Rückstellmoment. Die Bleche (32) können wiederrum aus Stahl oder Dauermagneten hergestellt sein. Die Tragstruktur (33) kann aus einem bis vier, fünf oder sechs Armen aufgebaut sein. Außerdem können die Arme auch unabhängig voneinander gelagert sein. Mit der unabhängigen Lagerung kann man wiederum einen Tilger realisieren, der sich in der Tilgerebene in alle Richtung gleich verhält.

Fiq. 15 zeigt prinzipiell einen Pendeltilger (Seitenansicht, Draufsicht) mit Magnetfeder mit Luftspaltänderung, die nicht linear ist. Eine Masse (42) ist an Seilen oder Stangen pendelnd aufgehängt. Unterhalb der Masse befinden sich eine magnetische oder magnetisierbare Teile (43), die von der Grundplatte (44) angezogen werden. (44) kann ebenfalls magnetisch oder magnetisierbar sein. Nicht die Änderung des Luftspalts führt hier zu einer Rückstellkraft, sondern die axiale magnetische Kraft selber. Dennoch ist diese Art von Pendel linear zur 3. Ordnung. Das übliche Transversalpendel (Pendelmasse an Seilen unter Schwerkraft) ist ebenfalls linear zur 3. Ordnung.

Wählt man, wie in Fiq. 16 als weitere erfindungsgemäße Ausführungsform gezeigt, im Gegensatz zu Fig. 15 ein physikalisches Pendel, so sind die Luftspalte S1 und S2 bei Pendelauslenkung F über die Breite der Pendelmasse unterschiedlich groß. Dies führt zu einer zusätzlichen linearen Rückstellenden Kraft des Tilgers in die Mittelstellung.

Im Gegensatz zum Transversalpendel hat man also beim physikalischen Pendel eine weitere lineare Rückstellkraft. Bei beiden Pendeln kann zwischen Magnet oder Gegenseite

Wirbelstrom erzeugt werden, wenn die Gegenseite aus Stahl besteht bzw. wenn zwischen Magnet (magnetisierbarem Material) und Gegenseite ein elektrisch leitendes, aber nicht- magnetisches Material gelegt wird (z.B. Kupfer oder Aluminium).

In Fiq. 17 wird zeichnerisch dargestellt, wie sich ein vorhandener Luftspalt zwischen den sich bewegenden Bauteilen (1)(2) der Erfindung ändern muss, damit die Rückstellkraft der Feder eine lineare Funktion der Auslenkung ist.

Fig. 18 zeigt dieses Prinzip angewandt auf ein Transversalpendel als Magnetfedertilger.

Die Oberfläche des stehenden Teils (1.3) ist so geformt, dass sich bei der Relativbewegung von stehendem zu bewegtem Teil (2) der Luftspalt näherungsweise gemäß der Funktion

verhält.

Die Form des stehenden Teils (1.3) ähnelt der Hälfte einer Ellipse. Sind Teil (1.3) und Teil (2) zusätzlich noch zueinander geführt und sind magnetisch oder magnetisierbar, so gibt es eine Rückstellkraft zwischen den beiden Teilen, die zur Auslenkung x linear ist.

Der Parameter a entscheidet dabei über Form und damit die Steifigkeit der linearen

Magnetfeder und SO entspricht dem Luftspalt, wenn (2) nicht ausgelenkt ist.

Bei den Anwendungen der Fig. 13 und 14 kann man den konischen Kern (37) sowie die äußeren Bleche (40) so anpassen, dass sich der Luftspalt gemäß der Funktion s(x) verhält. Bei der Anwendung in Fig. 15 ist die Magnetfeder zur 3. Ordnung linear, da sich der Luftspalt nicht ändert. Wenn man dem stehenden Teil die passende Form gibt, verhält sich das Transversalpendel näherungsweise zur 1. Ordnung linear.

Die Luftspaltänderung in Fig. 14 entspricht zwar nicht ganz der von s(x), nähert diese aber gut an, und eine lineare Rückstellkraft ist zu erwarten.

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetfeder umfassend ein stationäres Bauteil (1) und ein durch eine ausgeübte Kraft bewegbares Bauteil (2), welche sich gegenseitig magnetisch anziehen und / oder abstoßen, oder zwischen denen bei einer relativen Bewegung gegeneinander ein Wirbelstrom erzeugt wird, wobei jedes Bauteil mindestens eine magnetische oder magnetisierbare Fläche (1.1 )(2.1 ) aufweist, und diese Flächen durch einen Luftspalt (4) oder einer Trennschicht (4a) voneinander getrennt gegenüber angeordnet sind und eine gemeinsame magnetisch wirksame Überlappungsfläche (3) bilden,

dadurch gekennzeichnet, dass bei einer relativen Linear- oder Drehbewegung der besagten Flächen (1.1 )(2.1 ) zueinander, sich der Betrag der magnetisch wirksamen Überlappungsfläche (3) vergrößert oder verkleinert und somit sich der Betrag der besagten magnetischen Anziehungs- oder Abstoßungskraft zwischen den Teilen (1 ) und (2) entsprechend ändert, und hierdurch bewirkt wird, dass eine Rückstellkraft bzw. Rückstellmoment oder eine Auslenkkraft bzw. Auslenkmoment auf das durch die ausgeübte Kraft bewegte Bauteil (2) in Richtung seiner Ausgangsposition oder

Mittellage oder entgegengesetzt aus dieser heraus vorhanden ist, welche im

Wesentlichen proportional zum zurückgelegten Weg des bewegten Bauteils (2) ist.

2. Magnetfeder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, das die Änderung des

Betrages der wirksamen Überlappungsfläche (3) dadurch bewirkt wird, dass

mindestens eine der besagten Flächen (1.1 )(2.1 ) ein formbestimmendes

Außenkantenprofil (1.2)(2.5) aufweist, welches so gestaltet ist, dass bei besagter Bewegung der Bauteile (1)(2) gegeneinander besagte Veränderung des Betrages der gemeinsamen magnetisch wirksamen Überlappungsfläche (3) und damit der

Anziehungs- oder Abstoßungskraft bzw. dem Anziehungs- oder Abstoßungsmoment der Bauteile eintritt.

3. Magnetfeder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

(i) das Außenkantenprofil (1.2) der magnetischen oder magnetisierbaren Fläche

(1.1) des stationären Bauteils (1 ) oder

(ii) das Außenkantenprofil (2.5) der magnetischen oder magnetisierbaren Fläche

(2.1) des bewegbaren Bauteils (2)

im Wesentlichen die Form einer Parabel, Ellipse oder eine Kreisform, oder Teilen davon aufweist.

4. Magnetfeder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenkantenprofil (1.2) der magnetischen oder magnetisierbaren Fläche (1.1 ) des stationären Bauteils (1) im Wesentlichen die Form einer Parabel oder einer Kreisform aufweist, und die

Parabelform der besagten mindestens einen Fläche (1.1 ) des stationären Bauteils (1 ) so ausgerichtet ist, dass sie bei Bewegung des bewegbaren Bauteils (2) aus der Ausgangsposition heraus gegenüber dem stationären Bauteil (1 ) abfällt oder ansteigt.

5. Magnetfeder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des

Betrages der magnetisch wirksamen Überlappungsfläche (3) dadurch bewirkt wird, dass bei der Bewegung der Bauteile (1 )(2) gegeneinander die Dicke des Luftspaltes (4) oder der Trennschicht (4a) und damit die Anziehungs- oder Abstoßungskraft der Bauteile vergrößert oder verkleinert wird.

6. Magnetfeder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Luftspaltes (4) oder der Trennschicht (4a) bei der Bewegung der Bauteile (1 )(2) dadurch

vergrößert oder verkleinert wird, dass eine der besagten Flächen (1.1 )(2.1 ) gegenüber der anderen gegenüberliegenden Fläche ein abweichendes Flächenprofil (1.6)(2.6) aufweist, das so gestaltet ist, dass die Federrückstellkraft eine lineare Funktion der auslenkenden Bewegung der Bauteile ist.

7. Magnetfeder nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass das

bewegbare Bauteil (2) mindestens eine magnetische oder magnetisierbare Fläche (2.1) und das stationäre Bauteil (1 ) mindestens eine magnetische oder magnetisierbare Fläche (1.1) aufweist, wobei diese Flächen so magnetisch polarisiert sind, dass sie sich magnetisch anziehen oder abstoßen, und die gemeinsame magnetisch wirksame Überlappungsfläche (3) bei Bewegung des bewegbaren Bauteils (2) gegenüber dem stationären Bauteil (1 ) mit zurückgelegtem Weg verkleinert wird.

8. Magnetfeder nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass das

bewegbare Bauteil (2) mindestens eine magnetische oder magnetisierbare Fläche (2.1) und das stationäre Bauteil (1 ) mindestens eine magnetische oder magnetisierbare Fläche (1.1) aufweist, wobei diese Flächen so magnetisch polarisiert sind, dass sie sich magnetisch abstoßen oder anziehen. und die gemeinsame magnetisch wirksame Überlappungsfläche (3) bei Bewegung des bewegbaren Bauteils (2) gegenüber dem stationären Bauteil (1 ) mit zurückgelegtem Weg vergrößert wird.

9. Magnetfeder nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Flächen (1.1 )(2.1 ) magnetisch oder magnetisierbar ist, und die jeweils andere Fläche

(i) eine Leiterfläche (1.4)(2.3) aus einem leitenden, nicht magenstierbaren Material zur Erzeugung eines Wirbelstroms, oder

(ii) oder eine Fläche aus einem supraleitendem Material,

umfasst,

so dass bei relativer Bewegung der Bauteile (1 )(2) gegeneinander in die gewünschte Richtung eine Federkraft erzeugt wird, welche der ausgeübten Bewegungskraft entgegenwirkt

10. Magnetfeder nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die

jeweiligen magnetischen oder magnetisierbaren Flächen (1.1 )(2.1 ) durch an ihnen angebrachten Permanentmagneten oder Elektromagneten magnetisch wirksam sind.

11. Schwingungstilger umfassend mindestens eine Magnetfeder gemäß einem der

Ansprüche 1— 10, ein Dämpfungselement (9) sowie eine Tilgermasse (6.3)(8.3).

12. Schwingungstilger nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das

Dämpfungselement (9) ein Elastomerdämpfer, Reibungsdämpfer, ein Fluiddämpfer oder eine Wirbelstromdämpfer oder eine Kombinationen davon ist.

13. Schwingungstilger nach Anspruch 11 oder 12 für Rotorblätter, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegbare Bauteil (2) eine Rotorblatt-Tilgermasse (6.3) umfasst, die mit Magneten (6.5) ausgestattet und mittels einer Führungsvorrichtung (6.8) hin- und her bewegbar ist, und

das stationäre Bauteil (1) ein rundes oder eckiges Rohr (6.2) mit mindestens einer mit Magneten (6.5') versehenen Innenfläche (1.1) umfasst, innerhalb von diesem die Blatt- Tilgermasse (6.3) und die Führungsvorrichtung ( 6.8) angeordnet sind,

Wesentlichen der mindestens einen magnetisch wirksamen Innenfläche (1.1 ) des stationären Bauteils (1) gegenüberliegt, welche durch ihr besagtes formbestimmendes Außenkantenprofil (1.2) definiert ist, und beide Flächen durch einen im Wesentlichen konstanten Luftspalt (6.7) voneinander getrennt sind.

14. Rotorblatt-Tilger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (6.5) der bewegbaren Blatt-Tilgermasse (6.3) sowie die Magnete (6.5') auf der entsprechend geformten Innenfläche (1.1) des runden oder eckigen Rohrs (6.2) in Bezug auf ihre Polarisierung radial angeordnet sind, wobei die Magnete (6.5) und (6.5') sich anziehen und / oder abstoßen.

15. Rotorblatt-Tilger nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass er in der Nähe der Blattspitze im Bereich zwischen 0.7 und 0.8 der Gesamtlänge des

Rotorblattes eingebaut ist und in Bezug auf seinen Bewegungsachse so ausgerichtet ist, dass er auf Edgewise-Schwingungen des Rotorblattes anspricht.

16. Schwingungstilger nach Anspruch 1 1 oder 12 für ein hohes schlankes Bauwerk,

dadurch gekennzeichnet, dass das stationäre Bauteil (1) der Magnetfeder ein zylindrisches Rohr (7.1 ) ist, welches entlang seiner Längsausdehnung an seiner Innenseite mit in Bezug auf ihre Polarisierung radial ausgerichteten Magneten (7.2) ausgestattet ist, und das bewegbare Bauteil (2) ein Doppelrohr ist, welches sich im Inneren des zylindrischen Rohrs des stationären Bauteils befindet und mittels einer

Gleit- oder Rollenführung (7.5) an den Enden des zylindrischen Rohrs in diesem mit im Wesentlichen gleichbleibenden Abstand zu diesem geführt und bewegt werden kann, wobei das Doppelrohr im Inneren des zylindrischen Rohrs (7.1) aus einem äußeren Rohr (7.3), gefertigt aus einem zur Erzeugung von Wirbelströmen befähigten

Leitermaterial, und einem mit ihm in Kontakt stehenden fest verbundenen inneren Rohr

(7.6) aus Stahl besteht, welches in der Weise geschlitzt ist (7.7), dass sich

Außenkantenprofile ergeben, die im Wesentlichen eine Parabelform aufweisen.

17. Schwingungstilger nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das schlanke Bauwerk der Turm einer Windkraftanlage ist, und

die Turm-Tilgermasse (8.3)

(i) am bewegbaren Bauteil (2) befestigt ist und das stationäre Bauteil (1) mit dem Turm der Windkraftanlage verbunden ist, oder

(ii) am stationären Bauteil (1 ) befestigt ist und das bewegbare Bauteil (2) mit dem Turm der Windkraftanlage verbunden ist.

18. Schwingungstilger nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse

(8.3) pendelfrei angebracht ist.

19. Windkraftanlage, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen

Schwingungstilger gemäß einem der Ansprüche 1 1 - 18 aufweist.