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Elektromagnetischer Schwingankermotor, insbesondere zum Antrieb von
Kompressoren für Kälteanlagen Elektromagnetische Schwingantriebe für Arbeitsgeräte,
Pumpen, Kompressoren u. dgl. sind bereits bekannt. Man kann dabei zwischen verschiedenen
prinzipiellen Antriebssystemen unterscheiden. Sämtliche Antriebe dieser Art besitzen
einen Elektromagneten mit einem beweglichen Anker. Der Anker selbst steht bei einer
Gruppe von Antrieben außer unter der Einwirkung elektromagnetischer Kräfte noch
unter dem Einfluß von Federn oder Membranen, welche als mechanische Gegenkraft dienen.
Zumeist ist dort das Schwingungssystem noch auf Resonanz mit der Antriebsfrequenz
abgestimmt oder zumindest auf eine der Resonanzfrequenz naheliegende Frequenz. Ein
anderes bekanntes System verzichtet auf die mechanischen Hilfskräfte und verwendet
einen völlig frei im Magnetsystem schwingenden Anker. In diesem Falle sind in der
Regel zwei Polpaare vorhanden, deren Polarität wechselt, so daß der Anker ständig
zwischen diesen Polpaaren hin- und herbewegt wird. Es ist aber umgekehrt auch bekannt,
den Anker selbst zu polarisieren, z. B. durch eine von Wechselstrom durchflossene
mitschwingende Spule, und ihn zwischen Magnetpolen fester Polarität schwingen zu
lassen. Zur Erzeugung der wechselnden Magnetfelder kann dabei sowohl pulsierender
Gleichstrom als auch Wechselstrom verwendet werden. Zur Erzielung einer neutralen
Mittellage und zur Verhinderung von Verlusten durch Ummagnetisierung wird dabei
häufig von einer Gleichstromvorerregung Gebrauch gemacht, der die die Schwingbewegung
erzeugende Wechselerregung überlagert wird.
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Soll ein solcher elektromagnetischer Schwingankermotor als Antrieb
insbesondere eines Kältekompressors verwendet werden, so ergeben sich verschiedene
Schwierigkeiten, die bisher keine befriedigende Lösung gefunden haben. Bei dem mit
elektromagnetischen und mechanischen Kräften arbeitenden Systemen bereitet die Abstimmung
der zusammenwirkenden Kräfte, insbesondere der Federkräfte und die Erzielung eines
möglichst kleinen konstanten schädlichen Raumes erhebliche Schwierigkeiten. Um diese
Schwierigkeiten der Kräfteabstimmung zu vermeiden, hat man die Systeme mit frei
schwingendem Anker vorgeschlagen. Aber auch hier ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten,
die vor allem in dem Problem der Hubbegrenzung liegen. Dieser Hub ist stark abhängig
von der Erregung und den dadurch bedingten Beschleunigungskräften und ebenso von
der Belastung. Wird der frei schwingende Anker zugleich als Kompressorkolben benutzt
und ist er dementsprechend in einem an seinen beiden Enden abgeschlossenen Zylinder
geführt, so ergibt sich damit die weitere Schwierigkeit, ein Anschlagen des Kolbens
an den Zylinderdeckeln zu vermeiden. Dieses Problem ist gerade bei Kältekompressoren
für Kühlschränke besonders wichtig wegen der damit verbundenen unerwünschten Geräusche.
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Die bisher bekannten Anordnungen von Schwingkompressoren mit frei
schwingendem Anker haben entweder diese Fragen überhaupt nicht berücksichtigt, oder
sie bedienen sich zur Behebung der auftretenden Schwierigkeiten zusätzlicher Mittel,
wie Anker grö ßerer Massenträgheit, die bei den verwendeten Erregerfrequenzen in
einer Erregungshalbperiode nur einen gewissen Maximalhub auszuführen vermögen, oder
Federn, welche die Aufgabe haben, den Anker abzubremsen und in seine Ruhelage zurückzuführen.
Diese Federn komplizieren jedoch den Aufbau des Schwingmotors erheblich und erfordern
auch einen höheren Leistungsaufwand. In beiden Fällen ergibt sich in der Regel ein
schlechter Wirkungsgrad und ein unnötig großer schädlicher Raum.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingankermotor
zu schaffen, der die Mängel der bekannten Anordnungen dieser Art und insbesondere
die seiner Anwendung als Kältekompressor entgegenstehenden Schwierigkeiten weitgehend
vremeidet. Der Erfindung ist dabei ein Schwingantrieb mit frei schwingendem Anker
zugrunde gelegt, der aus einem Erregersystem mit zwei gegensinnig durch Wechselstrom
erregten Spulen und einer Vorerregung durch Gleichstrom bzw. einem Dauermagneten
besteht und in dem der Anker zugleich den Kolben des mit den Polschuhen des Erregersystems
verbundenen Kompressorzylinders bildet.
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Urn bei einem solchen System weitgehende Unabhängigkeit von Be lastungs-
und Erregungsschwankungen und insbesondere einen nahezu konstanten Hub mit selbsttätiger
Hubbegrenzung zu erhalten, besitzt erfindungsgemäß der im Bereich der Polschuhe
aus magnetisierbarem Material bestehende Zylinder zwisehen
den
Polschuhen Bereiche aus nichtmagnetisierbarem Material und der zylindrische Anker
ist in axialer Richtung ebenfalls durch einen Bereich aus nichtmagnetisierbarerm
Material unterteilt. Dabei sind diese Bereiche aus nichtmagnetisierbarem Material
so angeordnet und in ihrer axialen Ausdehnung so bemessen, daß bei der gewünschten
maximalen Verschiebung des Ankers jeweils einer der aus magnetisierbarem Material
bestehenden Bereiche des Ankers einen nichtmagnetisierbaren Bereich des Zylinders
überbrückt.
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Das gesamte Schwingkompressorsystem ist zweckmäßig in folgender Weise
aufgebaut: Das Erregersystem besteht aus einem E-förmigen Kern aus geschichteten
Blechen, dessen Mittelschenkel eine gleichstromerregte Wicklung und dessen äußere
Schenkel mit Wechselstrom erregte Wicklungen tragen. Die Gleichstromerregung kann
dabei sowohl durch eine besondere Gleichstromquelle als auch durch gleichgerichteten
Netzwechselsfrom bewirkt werden. Alle drei Schenkel sind an ihren Enden mit Polschuhen
ausgerüstet, die Bohrungen zur Aufnahme eines alle drei Polschuhe durchsetzenden
Zylinders aufweisen. Dieser Zylinder ist aus magnetisierbarem Werkstoff, beispielsweise
aus einem Stahlgußrohr, hergestellt, das in axialer Richtung an zwei zwischen den
äußeren und dem mittleren Polschuh gelegenen Stellen durch Rohrstücke aus nichtmagnetisierbarem
Werkstoff, z. B. Messing, unterbrochen und an seinen Enden durch mit Druck- und
Saugventilen ausgerüstete Zylinderdeckel abgeschlossen ist. In diesem Zylinder ist
ein zylindrischer Anker frei beweglich angeordnet, der zweckmäßig auch als Hohlzylinder
ausgebildet ist und aus einem Stahlgußrohr besteht, das in der Mitte durch ein Rohrstück
aus nichtmagnetisierbarem Werkstoff, z. B. Messing, unterteilt ist, dessen axiale
Länge sich aus der Differenz der Gesamtlänge des Kolbens und der zur Überbrückung
der beiden Luftspalte notwendigen Länge der beiden magnetisierbaren Endstücke des
Kolbens ergibt. Dabei muß der Kolben in seiner Gesamtlänge um den Betrag des gewünschten
Hubes kürzer sein als der Abstand zwischen den beiden äußeren Zylinderbereichen
aus magnetisierbarem Werkstoff. Die Enden des rohrförmigen, als Kompressorkolben
dienenden Ankers sind selbstverständlich ebenfalls durch Deckel abgeschlossen, so
daß der Anker einen vollkommen geschlossenen Hohlzylinder bildet.
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Anstatt einer Vormagnetisierung durch eine auf dem Mittelschenkel
aufgebrachte gleichstromerregte Wicklung kann auch eine Vormagnetisierung durch
einen permanenten Magneten vorgesehen werden. Als besonders vorteilhaft erweist
sich dabei die Verwendung eines hochwertigen Sintermagneten, insbesondere auf Ferritbasis,
mit hoher Remanenz und Koerzitivkraft und gegenüber Siliziumblech geringer magnetischer
Leitfähigkeit. Ein solcher Magnetkörper wird zweckmäßig in den Mittelschenkel des
E-förmigen Blechkernes so eingebracht, daß er einen guten magnetischenSchluß mit
dem Blechkern besitzt. Durch seine besonderen magnetischen Eigenschaften wird der
Sintermagnet durch äußere Felder praktisch nicht beeinflußt.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert
werden.
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Die Fig. 1 bis 3 zeigen in schematischer Form das vorstehend bereits
kurz beschriebene Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt
ist; vielmehr sind im Rahmen der Erfindung die verschiedensten Abwandlungen im konstruktiven
Aufbau eines solchen Schwingkompressors denkbar. Die Fig. 4 a bis 4 c zeigen die
Anordnung in verschiedenen Betriebsstellungen. Fig.5 stellt eine abgewandelte Ausführungsform
des Erregersystems unter Verwendung eines Sintermagneten dar, und Fig. 6 zeigt eine
Zusatzeinrichtung zur Verbesserung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 5,
die weiter unten näher erläutert werden soll.
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In Fig. 1 ist mit 1 der E-förmige lamellierte Kern bezeichnet, dessen
beide äußere Schenkel die mit Wechselstrom beschickten Erregerwicklungen 2 und 3
tragen. Die beiden Wicklungen sind gegensinnig gewickelt, so daß an den äußeren
Polschuhen stets entgegengesetzte Polarität herrscht. Auf den Mittelschenkel ist
die Gleichstromvorerregungswicklung 4 aufgebracht. Auf alle drei Schenkel sind durchbohrte
Polschuhe 5, 6, 7 aufgesetzt, deren Bohrungen von einer den Kompressorzylinder bildenden
Hülse 8 durchsetzt wird. Die hülse 8 ist durch Zylinderdeckel 9, 10 abgeschlossen,
in welchen, wie in Fig. 1 links angedeutet, Druck- und Saugventile vorgesehen sind.
Die Hülse selbst ist, wie auch aus der in Fig. 2 wiedergegebenen Ansicht des Zylnders
erkennbar ist, aus mehreren Rohrstücken a, b und c aus magnetisierbarem Werkstoff
und dazwischengefügten Rohrstücken d und e aus nichtmagnetisierbarem Werkstoff zusammengesetzt.
Die d und e liegen dabei zwischen den äußeren und dem mittleren Polschuh und sind
in ihrer Länge so bemessen, daß sie den Abstand zwischen den benachbarten Polschuhen
nicht vollständig überbrücken.
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In dem Zylinder 8 ist der ebenfalls zylindrische, als Kolben ausgebildete
Anker 11 geführt. Dieser Anker ist in Fig. 3 in Ansicht nochmals dargestellt. Er
besteht ebenfalls aus einem beiderseits mit Kolbenbäden 12, 13 abgeschlossenen Rohr,
das sich aus zwei Abschnitten f und h aus magnetisierbarem und einem zwischen ihnen
in der Kolbenmitte eingefügten aus nichtmagnetisierbarem Material zusammensetzt.
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Die magnetisierbaren Abschnitte des Ankers sind so groß gemacht, daß
sie den Abstand zwischen benachbarten Polschuhen überbrücken Die Wirkungsweise dieser
vorstehend beschriebenen Anordnung ist folgende: Durch die konstante Vorerregung
wird der Anker bei fehlender Wechselstromerregung in der in Fig.4a dargestellten
Mittellage gehalten, da auf beide Enden des Ankers die Kräfte wirken. Die gleichen
Verhältnisse liegen vor bei jedem Nulldurchgang des Wechselstromes.
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der Vorerregung eine Wechselstromerregung zugeschaltet, so überlagern
sich beide Erregungen. Während der positiven Halbwelle addieren sich die beiden
von Gleichstrom- und Wechselstromerregung gebildeten Felder in dem rechten äußeren
Schenkel, während sie sich im linken Schenkel subtrahieren. Der Koalben dabei aus
der Mittellage nach rechts gezogen, wobei das Maximum der Anzugskraft erreicht wird,
wenn der kurz vor dem Schließen des Luftspaltes zwischen den beiden Polschuhen steht,
wobei der nicht magnetisierba,re Bereich im Zylinder zwischen den beiden Polschuhen
als Luftspalt betrachtet wird. Durch die Energie wird der Anker über die Lage, in
der er mit seinem rechten Endteil den Luftspalt überbrückt, um einen geringen Betrag
hinausbewegt, was' die Entstehung eines neuen wachsenden Luftspaltes infolge teilweiser
Überlappung der nichtmagnetisierbaren Bereiche von Zylinder und Anker zur Folge
hat. Die damit wirksam werdende Rückzugskraft bremst den Anker stark ab und zieht
ihn in die- in Fig. 4b gezeichnete Lage zurück, in der
der nichtmagnetisierbare
Bereich des Zylinders vom magnetisierbaren Bereich des Ankers überbrückt wird. Von
dort aus wird der Anker durch das wieder nach Null gehende Wechselfeld und damit
zunehmend wirksam werdende Gleichstromfeld in die neutrale Ruhestellung zurückgezogen
und bewegt sich anschließend bei der negativen Halbwelle des Wechselfeldes in die
in Fig.4c angedeutete andere Endlage.
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In dem mittleren Schenkel ist praktisch immer nur die Vorerregung
wirksam, da sich die von den beiden Wicklungen auf den Außenschenkeln erzeugten
Wechselfelder im Mittelschenkel aufheben. Die Wechselstromerregung ist zweckmäßig
so gewählt, daß keine Ummagnetisierung des Kernes stattfindet, sondern eine Halbwelle
das konstante Feld immer nur entweder verstärkt oder gerade kompensiert. Damit werden
Hystereseverluste vermieden. Die zur Magnetisierung des Kernes erforderliche Leistung
wird nur zu einem geringen Teil vom Wechselstrom aufgebracht. Somit fallen die Augenblickswerte
von Strom und Spannung so günstig zusammen, daß je nach dem Grad der Vormagnetisierung
der Phasenwinkel annähernd gleich Null werden kann.
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Bei richtiger Bemessung des Kolbens im Verhältnis zum Abstand der
Polschuhe bewirkt die Auftrennung des Kolbens durch den nichtmagnetisierbaren Ring
eine selbsttätige Hubbegrenzung, die unabhängig von Schwankungen der Erregung oder
Belastung ist. Durch Verwendung eines Hohlzylinders für den Kolben ist auch die
Masseträgheit sehr gering.
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Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform für ein Erregersystem, bei dem,
wie oben ausgeführt, an Stelle einer Gleichstromvormagnetisierung eine solche durch
einen permanenten Magneten verwendet wird. Dieser ist vorteilhaft ein hochwertiger
Sintermagnet, der als prismatischer Körper 14 in entsprechende Ausschnitte in den
Blechen des Mittelschenkels eingesetzt ist, wobei er zweckmäßig zur Erzielung eines
guten magnetischen Schlusses noch auf beiden Seiten durch Bleche ohne Ausschnitt
abgedeckt wird. Da die wirksame Feldstärke der Sintermagneten stark von der Größe
des im magnetischen Kreise vorhandenen Luftspaltes abhängig ist, kann man letzteren
dadurch stark verkleinern, daß man. über den nichtmagnetisierbaren Rohrabschnitten
des Zylinders kronenartige Ringe aus magnetisierbarem Material anbringt, deren Zacken
nach dem mittleren Polschuh hin gerichtet sind, jedoch sich nicht bis zum inneren
Rand des nichtmagnetisierbaren Bereiches erstrecken. Fig. 6 zeigt eine solche Anordnung
lediglich für die rechte Seite des Magnetsystems. Mit 1a ist der rechte äußere Schenkel
des Blechkernes bezeichnet, 8 ist wieder die Zylinderhülse mit den verschiedenen
Abschnitten b, c, e. Auf dem nichtmagnetisierbaren Abschnitt e sitzt der
Kronenring 15, der mit seiner Grundfläche an dem Polschuh anliegt und daher mit
diesem magnetischen Schluß aufweist. Durch geeignete Wahl des Eisenquerschnittes
des Ringes kann in der Anfangsstellung des Kolbens nur eine bestimmte Feldstärke
- bis zur Sättigung im Ring - wirksam werden. Die Formgebung des Ringes bewirkt
eine Beschleunigung des Kolbens. Die volle Zugkraft auf den Kolben tritt aber erst
dann auf, wenn der Kolben selbst sich dem Polschuh nähert.