Verfahren zur Umwandlung elektrischer Energie in Drehschwingungen einer Masse und Schwingungsmotor zur Ausübung dieses Verfahrens. Um eine Masse vermittelst elektrischer Wechselstromenergie in schwingende Bewe gungen zu bringen, dienen meistens Elektro magnete. Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen eine mit Wechselstrom gespeiste Spule sich in einem radialen Magnetfeld be findet, diese Einrichtungen eignen sich je doch nicht zum Betrieb schwingungstechni scher Apparate und Maschinen grösserer Lei stung, wie zum Beispiel Schwingungsprüfma schinen zur Untersuchung von Materialien in bezug auf periodische Belastungen, Schall apparate zur Erzeugung grosser Schallstär ken für Schiffahrtssignale etc. auf elektri- chem Wege, Vibrationsapparate für Mas sagezwecke.
Es wird daher im folgenden ein Verfahren zur Umwandlung elektrischer Wechselstromenergie in mechanische Schwin gungsbewegung einer Masse beschrieben, das besonders zur Umwandlung grösserer Ener- gieen sehr geeignet ist.
Die Erfindung wird beispielsweise an hand der beigelegten Figuren näher erläutert. Es bedeuten: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Wirkungsweise, Fig. 2 ein Diagramm einer andern Wir kungsweise, Fig. 3, 4 und 5 verschiedene Ausfüh rungsformen, Fig. 6 und 7 einige besondere Einzel heiten, Fig. 8 mechanische Anordnungen von Schwingungsmaschinen.
In der schematischen Darstellung der Fig. 1 bedeutet 1 eine Wicklung, die mit Gleichstrom gespeist wird. Eine zweite Wicklung 2, deren Achse mit derjenigen oder Wicklung 1 hier 90 Grad bildet, aber belie big sein kann, wird mit Wechselstrom ge speist. Die magnetischen Felder dieser beiden Wicklungen setzen sich zu einem resultieren den magnetischen Vektor zusammen, der seine Richtung im Raum periodisch verän dert, wie dies in der Fig. 1 ,durch die beiden Vektoren 0X und 0Y angedeutet ist. Dieses magnetische Pendelfeld schneidet bei seinen Oszillationen die Leiter einer Wicklung 3, die beispielsweise auf einem Anker 4 als Kurzschlusswicklung ausgebildet ist.
Hier durch werden in der Wicklung 3 Wech selströme erzeugt, die zusammen mit dem magnetischen Pendelfeld ein wechselndes Drehmoment um die Achse O des Ankers 4 ergeben, so dass der Anker 4 mit der Fre quenz des erregenden Wechselstromes in mechanische Drehschwingungen gerät.
Eine zweite Betriebsmöglichkeit des Schwingungsmotors ist dadurch gegeben, dass die Wicklung 1 ebenfalls mit Wechselstrom gespeist wird, wobei die Phase des Stromes in der Wicklung 1 von derjenigen des Stromes in der Wicklung 2 verschieden gewählt wird. In diesem Fall schwingt der Anker 4 mit der doppelten Frequenz im Vergleich zur Fre quenz der erregenden Wechselströme, wobei das oszillierende Drehmoment nach beiden Seiten gleich gross wird, wenn die Phase zwi schen den beiden Wechselströmen 90 Grad erreicht. In Fig. 3 sieht man ein Diagramm dieser Wirkungsweise. In beigefügter Skizze bedeutet Kurve 1 das magnetische Feld der einen Spulenwicklung, die Kurve 2 bedeutet den Stromverlauf in der Wicklung des An kers.
Da die mechanische Wirkung auf den Anker dem Produkt beider Kurven 1 und 2 gleich ist, ist der Verlauf des periodischen Drehmoments durch die Kurve 3 gegeben, die als Produkt zweier sinusförmiger Vektoren von der doppelten Frequenz ist, wie die Figur zeigt. Diese Verhältnisse sind ausserdem ex perimentell nachgeprüft.
Um die Induktionswirkung der Wicklung 1 möglichst günstig zu gestalten, wird die Selbstinduktion dieser Wicklung durch eine passend gewählte Kapazität kompensiert. Die Phasenverschiebung zwischen den Strömen in den beiden Wicklungen kann leicht da durch erhalten werden, dass die beiden Wick lungen an ein Mehrphasennetz angeschlossen werden. Die Wicklung 1 hat vorwiegend die Auf gabe, den Magnetisierungsstrom zu liefern, während die Wicklung 2 im wesentlichen durch Transformatorwirkung die Ströme im Anker erzeugt, so dass durch diese Transfor matorwirkung die Selbstinduktion automa tisch wenigstens zum grössten Teil kompen siert wird. Die besondere Kompensation hat deshalb eine verhältnismässig grosse Wirkung nur in bezug auf Wicklung 1 während ihr Nutzen für die Wicklung 2 wesentlich klei ner ist.
Diese prinzipiellen Anordnungen lassen sich in der verschiedensten Weise praktisch aus führen, und es hat sich gezeigt, dass zur Er zielung eines günstigen Wirkungsgrades auf einen Umstand besonderer Wert gelegt wer den muss. Die Schwingungsweite der beschrie benen magnetischen Pendelfelder ist abhän gig von der geometrischen Anordnung der vorgesehenen Wicklungen, ferner von dem Verhältnis der von ihnen erzeugten Magneti sierungen unter Berücksichtigung von Sätti gungserscheinungen im magnetisierten Eisen.
Die Anordnung wird nun vorteilhaft so ge troffen, dass die räumliche Schwingungsweite der magnetischen Pendelfelder der mecha nisch zulässigen Schwingungsweite des An kers angepasst wird, und zwar wird die mag netische Pendelweite etwas grösser als die me chanische Pendelweite gewählt, so dass zwi schen diesen beiden Schwingungsbewegungen eine Schlüpfung von etwa 10 bis 30 % ent steht. Wird die Schlüpfung wesentlich grösser, so nähert sich der Schwingungsmotor einem Zustand, der als Kurzschluss zu bezeichnen ist; wird die Schlüpfung dagegen wesentlich kleiner, so ergibt sich Leerlaufverhalten. In beiden Fällen ist die Umsetzung der elektri schen Energie in mechanische Schwingungs energie nur unvollkommen zu erreichen.
Der Aufbau des Motors muss daher den besonde ren mechanischen Bedingungen einer Schwin gungsmaschine angepasst werden, und es wer den im folgenden zur weiteren Veranschau lichung drei Ausführungsbeispiele näher be schrieben.
Die Schwingungsweite einer Schwingungs maschine entspricht oder Umdrehungszahl eines rotierenden elektrischen Motors. Genau wie bei einem Motor durch Unterteilung der Wicklung in eine Anzahl von Spulen eine An- passung der Umdrehungszahl an den beson deren Zweck möglich ist, muss bei einem Schwingungsmotor durch Unterteilung der Wicklung eine Anpassung an die zulässig erscheinende Schwingungsamplitude erreicht werden. Die Grösse der Schwingungsampli tude in einer Schwingungsanordnung ist be stimmt durch die zulässige Verformung ela stischer Mittel, die an den Schwingungen teilnehmen. In der Fig. 3 ist die Anordnung eines Mo tors gezeichnet für den Fall, dass eine sehr grosse mechanische Schwingungsamplitude des Ankers zulässig ist.
Diese Anordnung ist für grosse Amplituden geeignet, da bei ihr die Spulenweite einen Quadranten umfasst, die magnetischen Pendelfelder also um 90 Grad hin- und herschwingen. Die beiden Wicklungen werden in die hier beispielsweise 24 Nuten eines Ständers gelegt, und zwar um fasst jede Wicklung die Nuten von zwei ge genüberliegenden Quadranten nach Art eines zweipoligen Motors. Der Anfang einer Wicklung komme von unten in Nute a, geht oben zur Nute a', un ten zurück nach der Nute b oben weiter nach der Nute b' und so fort. Die Wicklungsköpfe der Nuten d, e f bezw. d', e', f' sind nach er andern Seite umgeklappt.
Die Wicklungs weise kann entweder so erfolgen, dass in ein Nutenpaar ein Drahtgelegt wird, und dann zum nächsten Nutenpaar fortgeschritten wird, oder es wird einfacher ein Nutenpaar voll gewickelt, worauf zum nächsten Nuten paar weitergeschritten wird. In ähnlicher Weise werden die Nuten der beiden andern Quadranten des Ständers gefüllt, so dass zwei in bezug auf ihre magnetischen Achsen senk recht aufeinanderstehende Wicklungen erhal ten werden, die eine sehr grosse Amplitude des magnetischen Pendelfeldes ergeben. Der Anker erhält vor den Spulenseiten einer Wicklung eine Anzahl von Kurzschlussstäben A, B, C, D, E, F und A', B', C, D', E', F', die auf beiden Endflächen des Ankers durch Kurzschlussringe miteinander verbunden sind. Die einzelnen Stäbe können aber auch paar- weise miteinander verbunden werden, also A mit A', B mit B' etc.
In Fig. 4 ist das mehrpolige Wicklungs schema eines Schwingungsmotors gezeichnet, der für sehr kleine mechanische Schwingungs amplituden des Ankers geeignet ist, wobei nur ein Teil des gerade gestreckten Umfanges dargestellt ist. Entsprechend pendelt bei Fig. 4 das magnetische Feld nur um eine hNuten- breite hin und her, da eine Spulenbreite nur eine Nute umfasst. Die beiden Wicklungen 1 und 2 nach Fig. 1 werden hier in eine Anzahl von Einzelspulen aufgelöst, deren Spulen weite jeweils nur eine Nute umfasst. Der An fang der einen Wicklung sei bei a. Der oben aus der Nute a kommende Draht geht in die übernächste Nute b, geht unten weiter nach der Nute c, und so fort.
Hierbei kann wieder fortlaufend je eine Drahtlage in die einzelnen Nuten gelegt werden, oder aber es wird vor teilhaft je ein Nutenpaar, also ab, cd etc. zu einer Einzelspule vollgewickelt, da in diesem Falle bei einer Beschädigung eine für sich bestehende Einzelspule besser ersetzt werden kann.
In ähnlicher Weise werden die Nuten a', b', c', d', etc. vollgewickelt. Es entstehen auf diese Weise zwei Systeme sich überkreuzen der Einzelspulen. Der Anker wird in diesem Falle mit Kurzschlussstäben A, B, C, D etc. ausgestattet, die jeweils vor den Spulenseiten eines Wicklungssystemes liegen, in der Fig. 3 beispielsweise vor a, b, c etc. Diese Stäbe werden auf beiden Seiten des Ankers durch Ringe, in der Figur entsprechend als gerades Verbindungsstück gezeichnet, miteinander verbunden.
In Fig. 5 ist ein mehrpoliges Wicklungs schema gezeichnet für eine mittlere mecha nische Amplitude. Bei Fig. 5 umfasst eine Spulenbreite 3 Nuten, so dass das magnetische Pendelfeld um drei Nutenbreiten hin- und herpendelt. Es sind hierbei je drei Nuten des Ständers zu einer Spulenseite zusammen ge fasst. Die erste Wicklung beginne bei a. Der oben aus der Nute a kommende Draht führt zur Nute f, von hier zurück nach der Nute b, weiter nach der Nute e, zurück nach c, weiter nach d. Sind diese Nuten zu einer Spule vollgewickelt, geht der Draht nach einer Nute, welche den Anfang eines weite ren Systemes von zweimal drei Nuten bildet und so fort. In ähnlicher Weise werden die Nuten a', b', c' und d', e', f' vollgewickelt etc.
Es entstehen auf diese Weise zwei Sy steme sich überkreuzender Spulen, deren Spu lenseiten je drei Nuten umfassen. Der zuge hörige Anker kann vor den Spulenseiten einer Wicklung gemäss Fig. 5 mit mehreren, hier beispielsweise drei Stäben versehen sein, die wiederum durch zwei Endringe miteinander verbunden sind.
Der Anker eines solchen Schwingungs motors kann aber zum Zwecke der Vermei dung von Kurzschlussströmen, die von einem Stab zu einem benachbarten fliessen, in ande rer Weise ausgebildet werden. Fig. 6 zeigt eine solche Ausbildung, wobei der Anker zur besseren Veranschaulichung in eine Ebene ab gewickelt ist. A, B, C ferner D, E, F etc. bil den Gruppen von Stäben und die Anordnung ist nun so getroffen, dass die mittleren Stäbe RE jeder Gruppe mit den Eindringen 5 und 6 verbunden sind, während die gegenüberlie genden Stäbe je zweier Gruppen, also C und D, F und G etc. durch Verbindungsstücke 7 und 8 miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass zwischen den Ein zelstäben einer Gruppe keine Induktions ströme fliessen können.
In manchen Fällen ist es wünschenswert, dass das Trägheitsmoment des Ankers mög lichst klein gehalten wird.
Da es für die Wirkungsweise der be schriebenen Schwingungsmotore ohne Belang ist, ob der Eisenkörper des Ankers an den Schwingungen der Ankerwicklungen teil nimmt, kann eine räumliche Trennung des Ankerkörpers von den Ankerwicklungen in manchen Fällen von Vorteil sein. In Fig. 7 ist diese Trennung für den Motor gemäss Fig. 5 gezeichnet. Anker und Feld werden aus ein heitlichen Blechen aufgeschichtet, wobei ent sprechende Öffnungen zur Aufnahme der Kurzschlussstäbe vorgesehen sind. Diese Stäbe sind durch besondere Endstücke g1 mit der Achse verbunden, um die Schwingungen der Stäbe auf die Achse übertragen zu können.
Werden solche Motore in Betrieb genom men, so verhindert im allgemeinen das ver hältnismässig grosse Trägheitsmoment des Ankers eine genügend grosse mechanische Amplitude desselben. Diese Erscheinung ist um so ausgeprägter, je höher die Frequenz des Wechselstromes ist. Das Trägheitsmoment des Ankers wird daher durch passende Fede rungen kompensiert. In Fig. 8 sind zwei Bei spiele der prinzipiellen Anordnung von mit Schwingungsmotoren angetriebenen Schwin gungsmaschinen dargestellt. Die Befesti gungsmasse sei schematisch durch eine Masse vom Trägheitsmoment K1 (zum Beispiel Grundplatte der Maschine, Masse des Funda mentes) dargestellt, gegen die sich die Fede rung anstützt und die im allgemeinen sehr gross sein wird. Der ebenfalls schematisch an gedeutete Anker des Schwingungsmotors be sitzt das Trägheitsmoment K2.
Soll nun mit einer derartigen Einrichtung Schwingungsar beit geleistet werden, so wird mit dem An ker vom Trägheitsmoment K2 der Verbrau cher gekoppelt, dessen Trägheitsmoment K3 sei. Je nach den besonderen Arbeitsbedingun gen des Verbrauchers wird derselbe prinzi piell entweder nach dem Teil von links der Fig. 8 oder nach dem Teil von rechts dersel ben Figur ausgebildet. Der erste Teil dieser Figur zeigt einen Verbraucher, der einen ver hältnismässig kleinen Drehradius aufweist und der daher zur Ausübung grosser Kräfte auf kleinem Schwingungswege geeignet ist, während die zweite Figur dagegen, infolge des grossen Drehradius, für einen Verbrau cher gilt, der kleinerer Kräfte auf einem we sentlich grösseren Schwingungswege bedarf.
Wird das federnde Kupplungsglied zwi schen K' und K3 verhältnismässig starr aus geführt, so schwingt der Verbraucher mit derselben Phase und Amplitude wie der Mo toranker. Es ist bekannt, dass durch die An wendung des Resonanzprinzips zwischen der erregenden Kraft und der Abstimmung des mechanischen Systemes grosse Amplituden er zielt werden können.
Eine besondere Ausführung, die in man chen Fällen von Vorteil ist, ist dadurch ge geben, dass die Federkraft des Kupplungs gliedes so bemessen wird, dass das aus Träg- heitsnioment des Ankers, Federkraft des Kupplungsgliedes und Trägheitsmoment des Verbrauchers bestehende Schwingungssy stem in seiner Eigenabstimmung der Abstim mung des Grundsystemes bestehend aus K1 (Feder) K2 genähert wird. Der schwingungs technische Aufbau der Maschine besteht in diesem Fall aus zwei miteinander gekuppel- ten Schwingungsgebilden, wie er vorteilhaft derartigen Schwingungsmaschinen zugrunde gelegt wird.
Als Verbraucher kommen in Frage schwingende Flächen zur Erzeugung von Schallwellen in beliebigen Medien, Sichter zum Sichten von körnigen Materialien etc. Auf die Ausbildung dieser Verbraucher soll nicht näher eingegangen werden.