Verfahren zum Betrieb von Elektromagnetmotoren. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Elektromagnetmotoren mit hin- und herlaufendem Anker, wie sie insbeson dere bei elektromagnetischen Schlagwerk zeugen Verwendung finden, deren Ankerbe wegung durch eine oder mehrere Magnetspulen mit zeitlich veränderlicher Durchflutung er zeugt wird, und zwar in der Weise, dass die bezw. jeweils eine Magnetspule in einem ständig geschlossenen Stromkreis mit einer Phasenwicklung eines Wechselstromerzeu gers liegt.
Um ein möglichst günstiges Arbeiten der artiger Magnetmotoren zu erzielen, wird nach bekannten Anordnungen der zeitliche Verlauf der Spannung, die in der jeweils der Magnet spule zugeordneten Phasenwicklung des Strom erzeugers induziert wird, dem durch mecha nische Einflüsse bedingten zeitlichen Verlauf der Bewegung des Ankers möglichst genau angeglichen, und zwar so, dass die Dauer der Spannungshalbwellen etwa der Dauer des Nutzhubes oder Hinlaufs des Ankers gleich ist, während in der Zeit des Rücklaufs des Ankers die Spannung gleich oder nahezu gleich Null sein soll, um schädliche Brems wirkungen während des Rücklaufs zu ver meiden.
Es hat sich nun gezeigt, dass mit dieser bekannten Massnahme zeitlich an sich richtig bemessener Spannungshalbwellen ein einwand freier Betrieb von Magnetmotoren noch nicht möglich ist. Dies trifft insbesondere auf sol che Motoren zu, deren Anker durch nur eine Spule angetrieben wird, wobei der Rücklauf durch eine Fremdkraft, z. B. eine Feder oder die Schwerkraft, bewirkt wird. Der Grund hierfür liegt darin, dass auch nach Abfallen der jeweiligen Spannungshalbwelle auf Null der von ihr hervorgerufene Strom in der Magnetspule nicht schnell genug auf Null ab fällt, sondern infolge ihrer Induktivität erst allmählich abklingt.
Die Folge davon ist weiter, dass der Anker am Ende seines Nutz- huben von der Spule nicht sofort losgelassen wird, sondern von ihr im anschliessenden Rücklauf stark abgebremst wird. Erfahrungs- gemäss ist diese Bremswirkung des abklin genden Stromes und damit die Verzögerung des Rücklaufs des Ankers so gross, dar ein freifallender Anker überhaupt keinen genügend langen Rücklauf ausführen kann, um eine praktisch brauchbare Länge des Nutzhubes zu erreichen. Erzwingt man den Rücklauf z.
B. durch eine Feder oder durch eine zweite Magnetspule, so muss notwendigerweise die im Nutzhub antreibende Magnetspule einen um so stärkeren Strom führen. Der Wirkungs- grad der gesamten Energieumsetzung wird also in jedem Falle schlecht.
Dieser Mangel wird mittels des erfindungs gemässen Verfahrens dadurch behoben, d,13 die Erregung der Magnetspule nicht durch einfache Spannungshalbwellen wechselnder Polarität erfolgt, sondern in der -Weise, dar die während des Nutzhubes des Ankers in der Magnetspule wirksame Spannung aus zwei vom Generator gelieferten Spannungshalb wellen von entgegengesetzter Richtung be steht, von denen die erste die Hubarbeit be wirkt und die zweite den Strom irr der Magnet- spule gegen Hubende auf Null herunterdrückt.
Dadurch wird auch verhindert, dar im < in- schliessenden Rücklauf des Ankers ein noch maliges Wiederansteigen des Stromes mit ent sprechender Bremswirkung stattfindet.
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein elektro magnetisches Schlagwerkzeug einfachster be kannter Bauart mit nur einer Magnetspule dargestellt. Die Spule 1 zieht bei Erregung den Anker 2 in sich hinein. Am Ende des Nutzhubes-Hinlaufs schlägt der Anker auf ein Werkzeug 3. Der Rücklauf wird durch eine Feder 4 bewirkt, die ausserdem den Anker am Ende des Rücklaufs elastisch auffängt. Die Magnetspule 1 ist mit der Wicklung <B>53</B> eines Wechselstromgenerators in Reihe ge schaltet, dessen Feldwicklung<B>6</B> von einer Gleichstromquelle gespeist wird.
Fig. 2 zeigt den Weg-Zeit-Verlauf eines solchen Schlagwerkzeuges <I>(t</I> ist die Zeit, h der Weg oder der Hub). Während des Hin- Laufs des Ankers wird dieser durch die spuk, 1 stark beschleunigt, gibt am Ende des Hin laufs seile Schlagenergie mehr oder weniger vollständig an das Werkzeug 3 ah, so dass ei- ganz (-)der nahezu zur Ruhe kommt, und wird dann durch die Feder 4 im Rücklauf zurück gezogen. Die Dauer b des Rücklaufs wird im allgemeinen wesentlich länger sein müssen, als die Dauer a des Hinlaufs, wenn man eine übermässig starke Feder und entsprechend starken Rüchschlag des Schlagwerkzeuges vermeiden will.
In Fig. 3 ist die vom Generator gelieferte Spannungswelle C.' dargestellt. Der ihr ent sprechende Strom .l steigt auf einen Höchst wert an, bewirkt dadurch den Hinlauf des Ankers und fällt gegen Ende des Hinlaufs schnell ab. Das Abfallen des Stromes ist bei zeitlich im Verhältnis zur Hubzeit richtig be messener Spannungshalbwelle nicht nur durch das Absinken der Arbeitsspannung U selbst bedingt, sondern auch durch die Gegen-EMK der Bewegung, die infolge der gegen Hub ende hohen Geschwindigkeit des Ankers ? und der entsprechend schnellen Zunahme der Induktivität der Spule 1 beträchtlich groll ist.
Am Ende des Hinlaufs fällt nun aber nicht, wie erwünscht, der Strom ganz auf Null ab, sondern steigt im Gegenteil unter Umständen noch wieder an als Folge einer jetzt gene- ratorischen EMK, die durch das mechanisch bewirkte Herausziehen des Ankers aus der Spule induziert wird und die die gleiche Rich tung Trat wie der Strom. Diese EMK hält daher den Strom noch aufrecht, auch wenn die Generatorspannung bereits auf Null herab gefallen ist.
Eist nach Beginn der nächsten Spannungshalbwelle finit entgegengesetztem Vorzeichen geht der Strom ganz auf Null zurück, uni dann sofort anschliessend in ent gegengesetzter Richtung anzusteigen und den nächsten Hinlauf des Ankers zu bewirken.
Der jeweils während des Rücklaufs noch bestehenbleibende Reststrom Trat nun die äusserst nachteilige Wirkung, dass ei- den Rück- Iauf des Ankers abbremst und verzögert, so d < 113 die Riic#kl < iufzeit gröl.;er wird und dadurch sogar der sehuncLlichen Schlagzahl bestimmte Grenzen gesetzt sind. Ein Mass für die Brems wirkung gibt die in Fig. 3 gestrichelte Strom Zeit-Fläclie.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, durch unsymmetrische, steil ansteigende und flach abfallende Spannungshalbwellen ein entspre chend schnelles Ansteigen des magnetischen Flusses und schnelles Verschwinden gegen Hubende zu erzielen. Eine durchgreifende Ab hilfe ist damit jedoch nicht erreichbar.
Erfindungsgemäss wird der während des Rücklaufs sonst vorhandene Reststrom und seine schädliche Bremswirkung dadurch völlig beseitigt, dass die während eines Hinlaufs wirksame Spannung aus einer Halbwelle der eigentlichen Arbeitsspannung und einer un mittelbar anschliessenden Hilfsspannungshalb welle von entgegengesetzter Richtung und vorzugsweise kürzerer Dauer und kleinerer Amplitude zusammengesetzt wird, wobei die Gesamtdauer beider Spannungshalbwellen etwa gleich der gewünschten Hinlaufzeit ge macht wird. Ein solcher Spannungsverlauf ist in Fig. 4 gezeigt. Hierin ist U die Halbwelle der Arbeitsspannung, Uli die der Hilfsspan nung.
Durch eine solche zusammengesetzte Spannungskurve wird der Strom am Hubende zwangsweise auf Null gebracht und ausserdem der weitere Vorteil erreicht, dass die im magne tischen Kreis der Spule gegen Ende des Hin laufs noch aufgespeicherte magnetische Ener gie an den Generator zurückgeliefert wird, da Strom und Spannung während der Dauer der Hilfsspannungshalbwelle entgegengesetzte Vor zeichen haben. Es ergibt sich also ein Strom verlauf nach Kurve J der Fig. 4, wobei die Dauer einer Stromhalbwelle jeweils gleich oder nahezu gleich der Hinlaufzeit ist. Diese zeitliche Übereinstimmung ist dann lediglich eine Frage richtiger Bemessung von Windungs zahl und Leiterquerschnitt der Magnetspule im Verhältnis zur Grösse der Arbeitsspannung und zur Masse des Ankers.
In grundsätzlich gleicher Art ist die er- fiiidungsgemähe Betriebsweise auch auf eine zweite Magnetspule anwendbar, die etwa an Stelle der Feder 4 angeordnet wird, um den Rücklauf des Ankers zu bewirken. Die Prin- zipanordnung entspricht dann beispielsweise dem Aufbau eines Schlagwerkzeuges mit, Schlag- und Rückhubspule nach der deutschen Patentschrift Nr. 730 301.
Ein derartiger Zwei spulen-Magnetmotor kann zwar mit zeitlich richtig bemessenen Halbwellen der Arbeits spannung auch ohne Zuhilfenahme der vor liegenden Erfindung betrieben werden, jedoch nur mit dem eingangs beschriebenen Mangel erheblicher Restströme während des jeweiligen Rücklaufs und dadurch für eine gewünschte Schlagleistung entsprechend vergrösserter Ge samtspulenströme und grösserer Stromwärme verluste. Durch Einfügung von Hilfsspannungs halbwellen, die den verschieden langen Ar beitsspannungshalbwellen der Schlag- und Rückhubspule angepasst sind, kann auch hier ein reststromfreier Betrieb mit entsprechend höherem Wirkungsgrad erzielt werden. Die Spannungs- und Stromhalbwellen verlaufen dann etwa nach Fig. 5.
Während die Arbeitsspannungshalbwellen Us im Schlagspulenkreis wesentlich kürzere Dauer haben als die entsprechenden Halb wellen UR> und zwar wegen der verschieden langen Hubzeiten, können die Hilfsspannungs halbwellen Uns und UHR etwa gleich lang gehalten werden.
Die zur Durchführung der erfindungsge- mässen Betriebsweise erforderlichen zusammen gesetzten Spannungswellen können in dem zur Erzeugung der typischen Arbeitsspannungs wellen sowieso notwendigen Generator in Sonderbauart durch eine geeignete Kombina tion von Ankerspulen und induzierendem Magnetsystem erzeugt werden. Für einen Magnetmotor mit nur einer Spule kann die Ankerwicklung des Generators beispielsweise nach Fig. 6 ausgeführt sein.
Sie besteht aus Spulen 1, 1' und 2, 2', die gleichsinnig in Reihe geschaltet sind, und einer gegensinnig dazu geschalteten Spule 3, 3'. Die Spule 3 ist räumlich im Umlaufsinn des induzierenden Magnetsystems 4 mit Erregerwicklung 5 gegen über der Spulengruppe 1-2 versetzt. Durch geeignete Polbreite des Feldmagnetkörpers 4 kann mit dieser Anordnung eine SpannuDgs- kurve U bezw. <B>UH</B> nach Fig. 4 erreicht werden.
Zur Speisung von zwei Magnetspulen ent sprechend Fig. 5 ist eine Wicklungsanordnung nach Fig. 7 zweckmässig, bestehend aus den selben Spulen 1, 1', 2, 2' und 3, 3', mit denen die Schlagspule des Schlagwerkzeuges betrie ben wird, und weiteren Ankerspulen 6, 6', 7, 7', 8, 8' und 9, 9' zur Erzeugung der Ar beitsspannungshalbwellen sowie einer Spule 10, 10' zur Erzeugung der Hilfsspannungs halbwellen für die Rückhubspule des Schlag- werkzeuges. Die hiermit induzierten Gesamt spannungen entsprechen den Spannungskurven Us, Uns bezw. UR, UHR der Fig. 5.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch für jede andere Art von Magnetmotoren, z. B. Schwingankermotoren für geradlinige oder Drehschwingungen, mit gleichem Vorteil angewendet werden.
Method of operating electromagnetic motors. The invention relates to a method for operating electromagnetic motors with a reciprocating armature, such as those found in particular in electromagnetic impact tools, whose armature movement is generated by one or more magnet coils with a time-varying flow rate, in such a way that the respectively in each case a solenoid is located in a continuously closed circuit with a phase winding of an alternating current generator.
In order to achieve the cheapest possible operation of the like magnetic motors, according to known arrangements, the time profile of the voltage that is induced in the phase winding of the current generator associated with the magnet coil, the time profile of the armature movement caused by mechanical influences as precisely as possible adjusted, in such a way that the duration of the voltage half-waves is approximately the same as the duration of the useful stroke or outward travel of the armature, while the voltage should be equal to or almost zero during the return period of the armature in order to reduce harmful braking effects during the return movement avoid.
It has now been shown that with this known measure, voltage half-waves correctly measured in terms of time, proper operation of magnetic motors is not yet possible. This applies in particular to sol che motors whose armature is driven by only one coil, the return being driven by an external force, e.g. B. a spring or gravity is effected. The reason for this is that even after the respective voltage half-wave has dropped to zero, the current it produces in the magnet coil does not drop to zero quickly enough, but rather only gradually decays due to its inductance.
The consequence of this is that the armature is not immediately released from the coil at the end of its useful stroke, but is strongly braked by it in the subsequent return. Experience has shown that this braking effect of the decaying current and thus the delay in the return of the armature is so great that a free-falling armature cannot perform a sufficiently long return to achieve a practically usable length of the useful stroke. If you force the return z.
B. by a spring or by a second magnet coil, the driving magnet coil must necessarily carry a stronger current in the useful stroke. The efficiency of the entire energy conversion will be bad in any case.
This deficiency is remedied by means of the method according to the invention, d, 13 the excitation of the solenoid is not carried out by simple voltage half-waves of alternating polarity, but in the -We, the effective voltage during the useful stroke of the armature in the solenoid from two voltage halves supplied by the generator There are waves from the opposite direction, of which the first causes the lifting work and the second pushes the current in the solenoid down to zero towards the end of the stroke.
This also prevents the current from rising again with a corresponding braking effect in the subsequent return of the armature.
In Fig. 1 of the drawing, an electro-magnetic impact tool is shown simplest be known design with only one solenoid. The coil 1 pulls the armature 2 into itself when it is excited. At the end of the useful stroke outward travel, the armature strikes a tool 3. The return movement is brought about by a spring 4 which also elastically catches the armature at the end of the return movement. The magnetic coil 1 is connected in series with the winding <B> 53 </B> of an alternating current generator, the field winding <B> 6 </B> of which is fed by a direct current source.
2 shows the path-time curve of such a striking tool <I> (t </I> is the time, h is the path or the stroke). During the outward run of the anchor it is greatly accelerated by the spuk, 1, at the end of the outward run it gives more or less complete impact energy to the tool 3 ah, so that everything (-) almost comes to rest, and is then pulled back by the spring 4 in the return. The duration b of the return movement will generally have to be much longer than the duration a of the outward movement if one wants to avoid an excessively strong spring and correspondingly strong backlash of the striking tool.
In Fig. 3 the voltage wave supplied by the generator is C. ' shown. The current .l corresponding to it rises to a maximum value, thereby causing the armature to run out and drops rapidly towards the end of the outward run. If the voltage half-wave is correctly measured in relation to the stroke time, the drop in current is not only due to the decrease in the working voltage U itself, but also due to the back EMF of the movement, which occurs as a result of the armature's high speed towards the end of the stroke? and the corresponding rapid increase in the inductance of the coil 1 is considerably resentful.
At the end of the outward run, however, the current does not drop completely to zero, as desired, but on the contrary may rise again as a result of a now generative EMF which is induced by the mechanical pulling out of the armature from the coil and which stepped in the same direction as the stream. This EMF therefore still maintains the current, even if the generator voltage has already dropped to zero.
If, after the start of the next voltage half-wave, the sign has a finite opposite sign, the current goes back completely to zero, and then immediately increases in the opposite direction and causes the armature to run again.
The residual current that remained in each case during the return flow then had the extremely disadvantageous effect that the return of the armature brakes and decelerates, so the opening time is greater; it is determined and thereby even determines the number of strokes There are limits. A measure of the braking effect is the dashed current time area in FIG. 3.
It has already been proposed to achieve a correspondingly rapid rise in the magnetic flux and rapid disappearance towards the end of the stroke by asymmetrical, steeply rising and gently falling voltage half waves. However, this does not provide a radical remedy.
According to the invention, the residual current that is otherwise present during the return movement and its harmful braking effect is completely eliminated in that the voltage effective during a forward movement is composed of a half-wave of the actual working voltage and an immediately following auxiliary voltage half-wave of the opposite direction and preferably of shorter duration and smaller amplitude, the total duration of both voltage half-waves being made approximately equal to the desired trace time. Such a voltage curve is shown in FIG. Here U is the half-wave of the working voltage, Uli that of the auxiliary voltage.
With such a composite voltage curve, the current at the end of the stroke is forcibly brought to zero and the further advantage is achieved that the magnetic energy still stored in the magnetic circuit of the coil towards the end of the outward run is returned to the generator, since current and voltage during the duration of the auxiliary voltage half-wave have opposite signs. The result is a current profile according to curve J in FIG. 4, the duration of a current half-wave being the same or almost the same as the trace time. This temporal correspondence is then merely a question of correctly dimensioning the number of turns and conductor cross-section of the magnet coil in relation to the size of the working voltage and the mass of the armature.
In basically the same way, the method of operation according to the invention can also be applied to a second magnetic coil, which is arranged approximately in place of the spring 4 in order to bring about the return of the armature. The principle arrangement then corresponds, for example, to the structure of an impact tool with impact and return stroke coils according to German patent specification No. 730 301.
Such a two-coil magnetic motor can indeed be operated with correctly timed half-waves of the working voltage without the aid of the present invention, but only with the lack of considerable residual currents described above during the respective return and thus for a desired impact power correspondingly enlarged Ge total coil currents and greater heat losses. By inserting auxiliary voltage half-waves, which are adapted to the working voltage half-waves of different lengths of the flapping and return stroke coils, operation free of residual current with a correspondingly higher degree of efficiency can also be achieved here. The voltage and current half-waves then run approximately according to FIG. 5.
While the working voltage half-waves Us in the beating coil circuit have a significantly shorter duration than the corresponding half-waves UR> and because of the different long stroke times, the auxiliary voltage half-waves Us and UHR can be kept about the same length.
The composite voltage waves required to carry out the operation according to the invention can be produced in the generator of a special design which is necessary anyway to produce the typical working voltage waves by a suitable combination of armature coils and an inducing magnet system. For a magnetic motor with only one coil, the armature winding of the generator can be designed according to FIG. 6, for example.
It consists of coils 1, 1 'and 2, 2', which are connected in series in the same direction, and a coil 3, 3 'connected in opposite directions. The coil 3 is spatially offset in the direction of rotation of the inducing magnet system 4 with the exciter winding 5 relative to the coil group 1-2. By means of a suitable pole width of the field magnetic body 4, a voltage curve U respectively can be achieved with this arrangement. <B> UH </B> according to FIG. 4 can be achieved.
To feed two magnet coils accordingly Fig. 5, a winding arrangement according to FIG. 7 is useful, consisting of the same coils 1, 1 ', 2, 2' and 3, 3 'with which the striking coil of the striking tool is operated ben, and further armature coils 6, 6 ', 7, 7', 8, 8 'and 9, 9' for generating the working voltage half-waves and a coil 10, 10 'for generating the auxiliary voltage half-waves for the return stroke coil of the percussion tool. The total voltages induced in this way correspond to the voltage curves Us, Us and respectively. UR, CLOCK of FIG. 5.
The inventive method can also be used for any other type of magnetic motor, e.g. B. Oscillating armature motors for linear or torsional vibrations can be used with the same advantage.