DE1003335B - Elektrodynamischer Schwingantrieb mit gleichstromerregtem Magnet und wechselstromerregter Ankerwicklung - Google Patents

Description

• Elektrodynamischer Schwingantrieb mit gleichstromerregtem Magnet und wechseistromerregter Ankerwicklung Es sind elektrodynamische Schwingantriebe zur Erzeugung mechanischer Schwingbewegungen bei Arbeitsmaschinen, wie Sieben, Schwingmühlen, Hämmern u. dgl. bekannt. Die Magneterregerwicklung dieser Schwingantriebe wird gewöhnlich mit Gleichstrom gespeist, während die Ankerwicklung an eine Wechselspannung angeschlossen wird. Magnetkörper und Anker derartiger elektrodynamischer Schwingantriebe sind gewöhnlich durch Federn oder sonstige elastische Mittel miteinander verbunden und können mit diesen so auf Resonanz abgestimmt werden, daß die zur Umkehr der Bewegungsrichtung erforderlichen Beschleunigungskräfte im wesentlichen von den Federn aufgebracht werden, so daß der elektrodynamische Antrieb im wesentlichen nur die Nutz-und Dämpfungskräfte aufzubringen hat.
• Durch die Speisung des Ankers mit Wechselstrom ist die von dem Schwingantrieb ausgeführte Schwingbewegung an die Frequenz der zugeführten Wechselspannung gebunden, so daß die mechanische Schwingbewegung im allgemeinen im Takte dieser Frequenz erfolgt. Die in Starkstromanlagen übliche Frequenz von 50 oder 60 Hz ist jedoch für viele Arbeitsmaschinen, beispielsweise für Bohrhämmer und Kleinkompressoren, zu hoch.
• Erfindungsgemäß hat bei einem elektrodynamischen Schwingantrieb mit gleichstromerregtem Magnet und wechselstromerregter Ankerwicklung zur Erzielung einer Schwingbewegung mit halber Wechselstromfrequenz das jeweils über der wechselstromerregten Ankerwicklung liegende Magnetfeld während des Ausschlagens des Schwingankers von seiner Mittelstellung aus nach der einen Seite die entgegengesetzte Richtung als während des Ausschlagens nach der anderen Seite. Gemäß der weiteren Ausbildung der Erfindung wird dafür gesorgt, daß das jeweils über der Ankerwicklung liegende Magnetfeld mit zunehmendem Schwingungsausschlag (Elongation) des Ankers zunimmt. Besonders vorteilhaft ist es in vielen Fällen, wenn diese Feldzunahme verhältnisgleich mit dem zunehmenden Schwingungsausschlag erfolgt, da hierbei mit bester Annäherung ein sinusförmiger Verlauf der Vorgänge erreicht wird.
• Dieser letztere Fall soll den folgenden Erläuterungen der Erfindung zunächst der Einfachheit halber zugrunde gelegt werden.
• Drückt man die mit zunehmendem Schwingungsausschlag verhältnisgleich zunehmende Induktion in einer Formel aus, so muß also erfindungsgemäß die Gleichung B = k zu x (1) erfüllt werden, worin B die jeweils über derAnkerwicklung im Luftspalt herrschende Induktion, x der jeweilige Schwingungsausschlag des Ankers aus seiner Mittellage und k eine Konstante ist.
• Daß mit dieser Maßnahme nach der Erfindung tat- sächlich eine Schwingung mit der halben Netzfrequenz erreicht wird, ergibt sich beispielsweise aus folgender Betrachtung: Ist die Kreisfrequenz des den Anker speisenden Netzes ce>, so sei zunächst einmal vorausgesetzt, daß die Schwingung bereits tatsächlich in der gewünschten Weise mit der halben Netzfrequenz, also gemäß der Gleichung x = A sin m t (2) 2 erfolgt, wobei A die Amplitude und t die laufende Zeit ist. Für die Geschwindigkeit des Schwingankers ergibt lich dann dx # # v = = . A . cos t, (3) dt 2 2 während die Induktion über der Ankerwicklung im Luftspalt erfindungsgemäß (nach Gleichung 1) nach dem Gesetz B = k A sin sinkt t (4) 2 verlaufen soll.
• Bezeichnet nun I die aktive Leiterlänge der Ankerwicklung, so wird in der Ankerwicklung durch die Bewegung des Ankers im Magnetfeld nach der bekannten Gleichung e = -B v l (5) eine Spannung e von der doppelten Frequenz des mechanischen Schwingungsvorgangs erzeugt, wie sich unter Benutzung der Gleichungen (3) und (4) folgendermaßen ergibt: # # # e = -k . A . sin t . A . cos t.l, (6) 2 2 2 k k zu A2 1 sinn t, (7) 2 2 = - E sincat, sind t, (8) worin E den Maximalwert der mit der Frequenz c, schwingenden Spannung e bedeutet.
• Da nun voraussetzungsgemäß die Netzspannung ebenfalls mit der Frequenz m, also beispielsweise nach dem Gesetz X = U U.sin(a>t+a), sin (a) t + a), (9) schwingt, so erkennt man aus dem Zeigerbild nach Fig. 1 der Zeichnung, daß die erzeugte Spannung E zusammen mit dem ohmschen Spannungsabfall JR und dem induktiven Spannungsabfall JcoL im Anker in jedem Augenblick mit der Netzspannung U im Gleichgewicht ist. Bei Leerlauf (J = 0) schrumpft das Spannungsverlustdreieck zusammen und die induzierte Spannnung - E wird gleich der Netzspannung U, wodurch nach Gleichung (7) und (8) die Amplitude A für Leerlauf festliegt. Bei Belastung wird gemäß dem Zeigerbild in Fig. 1 durch das Auftreten der Spannungsverluste der Wert der induzierten Spannung - E kleiner und somit gemäß Gleichung (7) und (8) auch die Amplitude A etwas kleiner als bei Leerlauf.
• Man erkennt also, daß der Schwingungsvorgang tatsächlich nach der Gleichung (2), d.h. mit halber Netzfrequenz, als stationärer Betrieb eintritt, da nur dann die induzierte Spannung E in dem Zeigerbild ebenso wie die Netzspannung U mit der Frequenz co umläuft.
• Zur Verwirklichung der Erfindung gibt es verschiedene Möglichkeiten. Besonders einfache Anordnungen ergeben sich, wenn ein zeitlich im wesentlichen konstantes Magnetfeld verwendet wird, beispielsweise durch Verwendung von Dauermagneten oder gleichstromerregten Elektromagneten, wobei das Magnetfeld aber so geformt wird, daß es beiderseits der Mittelstellung des Ankers entgegengesetzte Richtung hat. Einige Ausführungsbeispiele dieser Art sind in den Fig. 2 bis 8 der Zeichnung dargestellt.
• In Fig. 2 ist mit 1 ein Magnetkörper bezeichnet, der einen rohrförmig ausgebildeten, lammellierten Schwinganker 2 konzentrisch umgibt. Im Inneren des Schwingankers ist noch ein relativ zum Magnetkörper 1 feststehender Magnetkern 3 angeordnet. Der Magnetkörper 1 trägt an seiner zylindrischen Innenfläche eine in Nuten eingebettete homogene, gleichstromdurchflossene Wicklung 4. Diese Gleichstromwicklung 4 erzeugt einen magnetischen Fluß, der sich durch die Teile 1, 2 und 3 in der durch die gestrichelten Linien 5 angedeuteten Weise schließt und bekanntlich nach den Randzonen zu immer dichter wird. Die Induktion B im Luftspalt ist an den beiden Enden des Luftspalts am größten und fällt nach der Mitte zu bis auf den Wert Null ab, wie durch die im oberen Teil der Fig. 2 gestrichelt eingezeichnete gerade -Schaulinie B graphisch dargestellt ist.
• Der Schwinganker 2 trägt in seinem mittleren Teil die an eine Wechselspannung gelegte Wicklung 6.
• Das jeweils über der Ankerwicklung liegende Gleichfeld erfüllt somit die Bedingungen nach der Erfindung, indem es mit steigendem Schwingungsausschlag x des Ankers nach rechts und links in entgegengesetzter Richtung ansteigt, wodurch, wie oben nachgewiesen, mechanische Schwingungen mit halber Netzfrequenz erreicht werden.
• Die Feldkurve B verläuft bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, wie gezeigt, geradlinig. Eine solche Ausbildung der Feldkurve ist in den meisten Fällen besonders zweckmäßig. Falls es jedoch die Betriebsbedingungen des Schwingantriebes gelegentlich erfordern, können auch von der Geraden abweichende Feldkurven verwendet werden, sofern nur die Grundbedingung der Erfindung erfüllt ist, daß die Induktionsrichtung im Luftspalt beiderseits der Mittelstellung des Ankers im wesentlichen entgegengesetzt ist. Auch kann die Feldkurve sogar beispielsweise ohne eine stetige Steigung ein- oder mehrfach abgestuft sein.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Der Magnetkörper ist wieder mit 1 bezeichnet, hat jedoch einen hufeisenförmigen Querschnitt mit zwei Polschenkeln und trägt zwischen den Polschenkeln eine kompakte gleichstromgespeiste Erregerwicklung 7. Der Anker 2 trägt wieder eine an Wechselspannung gelegte Ankerwicklung 6 und ist in Fig. 3 in seiner rechten Endstellung gezeigt. Neu ist an diesem Ausführungsbeispiel, daß sich die Ankerwicklung 6 während des Schwingens gleichzeitig im Bereiche zweier im wesentlichen homogener Magnetfelder befindet. Zwar ist in diesem Fall das Luftspaltfeld unter den beiden Polen im wesentlichen homogen, doch liegt beim Schwingen in jedem Augenblick eine andere Anzahl von Ankerwindungen im Bereich des Polfeldes, so daß auch hier das jeweils insgesamt über der Ankerwicklung liegende aktive Feld von der Mittelstellung des Ankers aus nach seinen Endstellungen hin ansteigt und entgegengesetzte Richtung hat, so daß es sich wiederum mit der Ankerbewegung ändert.
• - Ähnlich ist das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4. Unterschiedlich ist hier, daß der Anker drei einzelne Ankerwicklungen 6 a, 6b und 6c aufweist, von denen die beiden äußeren umgekehrten Wicklungssinn gegenüber der mittleren haben. Zweckmäßig sind die drei Ankerwicklungen in Reihe zueinander geschaltet. Beim Schwingen des Ankers ist jeweils eine der beiden äußeren Wicklungen gleichzeitig mit der mittleren Wicklung im Bereich des Gleichfeldes, und damit wächst auch in diesem Fall das jeweils über den Ankerwicklungen insgesamt liegende aktive Feld mit der Ankerbewegung.
• Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel kann auch so abgewandelt werden, daß entweder eine der beiden Ankerwicklungen, beispielsweise die mittlere, oder die beiden äußeren Ankerwicklungen fehlen.
• Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist in dem Raum zwischen den beiden Polschenkeln noch eine vorzugsweise in sich kurzgeschlossene, beispielsweise als Kupferhülse ausgebildete Kompensationswicklung 8 vorgesehen, die zusätzlich im Sinne einer Konstanthaltung der homogenen Felder unter dem Polen wirkt, wodurch also erfindungsgemäß das Ansteigen des aktiven Feldes über den Ankerwicklungen mit steigendem Schwingungsausschlag gewährleistet ist. Eine solche Kompensationswicklung kann auch bei den anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung angewandt werden, ist jedoch in den übrigen Figuren der Zeichnung zur besseren Übersichtlichkeit fortgelassen.
• Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 entspricht im wesentlichen dem nach Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, daß der Magnetkörper in eine größere Anzahl kleinerer Pole und Erregerwicklungen 7a bis 7c unterteilt ist und daß auch der Anker eine entsprechende Anzahl einzelner Wicklungen 6 a bis 6c aufweist, die der Reihe nach jeweils umgekehrte Wicklungsrichtung haben.
• Eine solche Ausbildung ist namentlich dann von Vorteil, wenn eine möglichst gestreckte Bauform des Schwingantriebes gewünscht wird.
• Die Fig. 6 bis 8 zeigen einige Ausführungsbeispiele, die sich von den übrigen dadurch unterscheiden, daß bei ihnen die gleichstromdurchflossene Erregerwicklung 7 fest mit dem Anker 2 verbunden ist. Wird hierbei der Schwingantrieb so ausgebildet, daß der Anker 2 im wesentlichen feststeht, während der Magnetkörper im wesentlichen die Schwingungsbewegungen ausführt, so bieten diese Ausführungsbeispiele den Vorteil, daß sowohl die Ankerwicklung 6 a bis 6c als auch die Erregerwicklung 7 keinen starken Erschütterungen ausgesetzt sind sowie feste Anschlüsse erhalten können. Dies ist namentlich bei großen Amplituden und hohen Schwingungsfrequenzen wünschenswert.
• Wie oben ausgeführt, wird bei allen in der Zeichnung dargestellten Schwingantrieben ein zeitlich im wesent lichen konstantes Magnetfeld verwendet, dieses aber so geformt, daß es erfindungsgemäß beiderseits der Mittelstellung des Ankers im wesentlichen entgegengesetzte Richtung hat. Diese Forderung nach der Erfindung läßt sich aber noch auf eine grundsätzlich andere Art verwirklichen, indem nämlich das Magnetfeld seitlich in Abhängigkeit von der jeweiligen Schwingankerstellung veränderlich gemacht wird. Beispielsweise kann die Anordnung so getroffen werden, daß der Schwinganker das Erregerfeld des Magnetkörpers in Abhängigkeit von seiner jeweiligen Stellung steuert oder selbst erzeugt. Ein solches Verfahren hat gegenüber den bisher besprochenen Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung den Vorteil, daß das Feld jederzeit voll als aktives Feld ausgenutzt werden kann, während bei der anderen Art mit konstantem, geformtem Feld immer nur einzelne Teile des Feldes in jedem Augenblick ausgenutzt sind.
• PA TE h TA N S P CIII F 1. Elektrodynamischer Schwingantrieb mit gleichstromerregtem Magnet und wechselstromerregter Ankerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Schwingbewegung mit halber Wechselstromfrequenz das jeweils über der wechselstromerregten Ankerwicklung liegende Magnetfeld während des Ausschlagens des Schwingankers von seiner Mittelstellung aus nach der einen Seite die entgegengesetzte Richtung hat als während des Ausschlagens nach der anderen Seite.

Claims (1)

1. 2. Schwingantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweils über der Ankerwicklung liegende Magnetfeld mit zunehmendem Schwingungsausschlag des Ankers zunimmt.

   3. Schwingantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldzunahme verhältnisgleich mit dem zunehmenden Schwingungsausschlag erfolgt.

   4. Schwingantrieb nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung in einem vom Magnetkörper erzeugten Magnetfeld schwingt, welches zeitlich im wesentlichen konstant und so geformt ist, daß es beiderseits der Mittelstellung des Ankers im wesentlichen entgegengesetzte Richtung hat (Fig. 2).

   5. Schwingantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die dem Anker zugekehrten Flächen des Magnetkörpers (1) eine gleichmäßig verteilte Gleichstromwicklung (4) eingebettet ist.

   6. Schwingantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Gleichstromwicklung um soviel größer ist als die Ankerwicklungszone, daß sich die Ankerwicklung beim Schwingen jederzeit vollständig innerhalb des von der Gleichstromwicklung erzeugten Feldes befindet.

   7. Schwingantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung derart gleichzeitig in im wesentlichen zeitlich konstanten und homogenen Magnetfeldern von entgegengesetzter Feldrichtung schwingt, daß mit fortschreitender Schwingbewegung ihr jeweils im Feldbereich der einen Feldrichtung liegender Teil zunimmt und gleichzeitig ihr jeweils im Feldbereich der anderen Feldrichtung liegender Teil abnimmt (Fig. 3 bis 8).

   8. Schwingantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkörper mit einer oder mehreren kompakten Erregerwicklungen (7) versehen ist, die zwischen Polschenkeln des Magnetkörpers angeordnet sind.

   9. Schwingantrieb nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Anker angeordnete Ankerwicklung mit ihren beiden Enden gleichzeitig im Feldbereich je eines Polschenkels entgegengesetzter Feldrichtung schwingt (Fig. 3).

   10. Schwingantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ankerwicklung in ihren Grenzstellungen jeweils nur im Feldbereich eines der beiden Polschenkels befindet (Fig. 3).

   11. Schwingantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung in zwei oder mehr in Abständen voneinander angeordnete Einzelwicklungen mit verschiedenem Wicklungssinn unterteilt ist, die derart zwei oder mehr Polschenkeln von entgegengesetzter Feldrichtung zugeordnet sind, daß sich alle Einzelwicklungen des gleichen Wicklungssinnes beim Ausschlagen des Ankers nach der einen Schwingrichtung unter Polschenkeln der einen Feldrichtung und beim Ausschlagen des Ankers nach der anderen Schwingrichtung unter Polschenkeln der anderen Feldrichtung befinden.

   12. Schwingantrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkörper in eine Reihe von Einzelpolen von der Reihe nach wechselnder Feldrichtung und daß die Ankerwicklung in eine Reihe von Einzelwicklungen von der Reihe nach wechselndem Wicklungssinn unterteilt ist und daß sich in der Ruhelage des Ankers jeweils beiderseits eines Einzelpoles je eine Einzelwicklung des Ankers von verschiedenem Wicklungssinn befindet (Fig. 4 und 5).

   13. Schwingantrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwicklung in zwei Einzelwicklungen verschiedenen Wicklungssinnes unterteilt ist, welche derart zwei Polschenkeln verschiedener Feldrichtung zugeordnet sind, daß sich in der einen Grenzstellung des Ankers die eine Einzelwicklung unter dem einen Polschenkel und daß sich in der anderen Grenzstellung des Ankers die andere Einzelwicklung unter dem anderen Polschenkel befindet (Fig. 6 und 7).

   14. Schwingantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkörper ein zeitlich in Abhängigkeit von der jeweiligen Schwingankerstellung veränderliches Feld erzeugt.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 289427.