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Elektromagnet Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten, bestehend
aus einem Kern mit drei parallelen, im wesentlichen gleichen Schenkeln gleichen
Querschnitts und einem beweglichen Stück aus magnetisierbarem Stoff (Anker), das
die partiellen magnetischen Kreise der Schenkel gleichzeitig schließt, dessen Kernschenkel
zwei Wicklungen tragen, die von phasenverschobenen Strömen durchflossen werden und
deren eine den einen äußeren Schenkel des. Kernes umgibt und deren andere den mittleren
Schenkel und den ersterwähnten Schenkel gleichzeitig konzentrisch mit der ersten
Wicklung umfaßt und die von um 60° in Bezug aufeinander phasenverschobenen Spannungen
gespeist werden. Erfindungsgemäß haben diese Wicklungen die gleiche Wicklungsrichtung,
die gleiche Windungszahl und die gleiche Impedanz, wobei auch der Querschnitt der
drei Schenkel gleich ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für
eine elektromagnetische Kupplung mit mehreren Elektromagneten sind die Elektromagneten
mit ihren Schenlceln sternförmig angeordnet, wobei die erste Wicklung gleichzeitig
sämtliche nach dem Sternmittelpunkt zu gerichteten Schenkel der Kerne und die zweite
Wicklung gleichzeitig konzentrisch sämtliche mittleren Schenkel und sämtliche ersterwähnten
Schenkel dieser Kerne umgibt. Bei der Schaltung für die Speisung eines Elektromagneten
nach der Erfindung sind die Enden der beiden Wicklungen an eine Phase und die anderen
Enden der Wicklungen an je Eine andere Phase des Drehstroms angeschlossen. An sich
ist ein Elektromagnet bekannt, der aus einem Kern mit drei parallelen, im wesentlichen
gleichen Schenkeln gleichen Querschnitts besteht und mit einem beweglichen Stück
aus magnetisierbarem Stoff zusammenarbeitet, welches in der Lage ist, die partiellen
magnetischen Kreise der Schenkel gleichzeitig zu schließen, wobei die Schenkel Wicklungen
tragen, welche von phasenverschobenen Strömen durchflossen werden, und der eine
äußere Schenkel des Kernes von einer ersten Wicklung umgeben ist, während der mittlere
Schenkel und der ersterwähnte Schenkel gleichzeitig von einer zweiten, zur ersten
konzentrischen Wicklung umgeben sind, und diese beiden Wicklungen von um 60° in
Bezug aufeinander phasenverschobenen Spannungen gespeist werden. Bei den bisher
bekannten Elektromagneten dieser Bauart sind aber keine Mittel vorhanden, welche
benutzt werden müssen, um die Eigenschwingungen zu unterdrücken. Man hat bisher
lediglich geräuschvermeidende Bleche angeordnet, welche aber den erheblichen Nachteil
besitzen, daß sie senkrecht zu dem Verlauf der Kraftlinien des magnetischen Flusses
stehen, so daß in ihnen sehr hohe Verluste auftreten. Dabei können sie die Rolle
von kurzgeschlossenen Windungen der üblichen Einphasenelektromagneten spielen. Bei
den bisher bekannten Magneten der obigen Bauart konnte aber die Schwingungskomponente
nicht unterdrückt werden, da die Polflächen ungleich waren. Erst auf Grund der Erfindung
konnte der gewünschte Effekt erzielt werden, nämlich dadurch, daß die Wicklungen
die gleiche Wicklungsrichtung, die gleiche Windungszahl und die gleiche Impedanz
haben und der Querschnitt der drei Schenkel gleich ist. Es ist somit auf Grund der
Erfindung erstmalig ein Elektromagnet geschaffen, welcher sehr starke Kräfte auslöst
und völlig ruhig arbeitet. Insbesondere gestattet der Magnet nach der Erfindung
eine wesentliche Vereinfachung der Ausführung elektromagnetischer Kupplungen.
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Nachfolgend wird bewiesen, daß auf Grund der erfindungsgemäßen --Anordnung
in den drei Schenkeln dreiphasige magnetische Flüsse, d. h. solche, die um
untereinander verschoben sind, erzielt werden können.
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Demzufolge verhält sich ein derartiger Elektro,-mM net so, als ob
die drei Schenkel seines Kernes einzeln mit drei gleichen Wicklungen versehen wären,
von denen jede von einer -der drei Phasen des Drehstromes gespeist würde. Man erhält
also, mit anderen Worten, einen. nicht schwingenden Elektromagneten großer Anziehungskraft.
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Die Erfindung ist besonders für elektromagnetische Kupplungen vorteilhaft,
die mehrere gleichmäßig auf einem Kreis verteilte Polstücke aufweisen. In diesem
Fall
wird jedes Polstück von einem Kern mit drei Schenkeln gebildet, deren Polflächen
sämtlich in einer Ebene liegen. Eine erste Wicklung umgibt die in der Nähe des Zentrums
des Kreises befindlichen Schenkel, während eine gleiche zweite Wicklung, die in
dem Zwischenraum zwischen dem, vom Zentrum des Kreises aus gerechnet, zweiten und
dritten Schenkel jedes Kernes liegt ;gleichzeitig den ersten und zweiten Schenkel
jedes Kernes umgibt.
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Auf diese Weise genügen, unabhängig von der Anzahl verwendeter Polstücke,
zwei Wicklungen zu deren Erregung. In dem obenerwähnten Beispiel wird also die Zahl
der Wicklungen von zwölf auf zwei verringert.
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Während die einzelnen, bisher verwendeten Wicklungen aus dünnem, also
leicht brechendem Draht bestehen müssen und ihre Herstellung und Anbringung große
Schwierigkeiten macht, können die erfindungsgemäßen Wicklungen aus stärkerem Draht
bestehen und sind leichter zu wickeln und anzubringen. Die hierdurch erzielten Ersparnisse
sind demnach beträchtlich.
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Bei Verwendung von Drehstrom bereitet die Speisung der beiden Wicklungen
mit zwei Spannungen, deren Phasen um 60° gegeneinander verschoben sind, keinerlei
Schwierigkeiten. Hierzu genügt es, ein Ende der beiden Wicklungen an eine der Phasen
und die beiden anderen Enden an die beiden anderen Phasen anzuschließen. Bei anderen
Arten von Wechselströmen ist es durch wohlbekannte Schaltungen immer möglich, zwei
derart phasenverschobene Spannungen zu erzielen.
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Aus nachfolgender Beschreibung an Hand der beispielsweisen Zeichnung
geht die praktische Ausführung der Erfindung hervor. In der Zeichnung zeigt Fig.
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektromagneten, Fig.2 eine
vektorielle Darstellung der in der Schaltung von Fig.1 auftretenden Wechselspannungen,
Fig. 3 einen Axialschnitt nach der Linie III-III von Fig. 4 einer Bremse eines Elektromotors
als Beispiel einer elektromagnetischen Kupplung, Fig.4 einen Schnitt derselben Bremse
nach der Linie IV-IV von Fig. 3.
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Der in Fig.1 dargestellte Elektromagnet besitzt einen Kern N mit drei
gleichen und parallelen SchenkeIn Bi, B2 und B3, dessen magnetischer Kreis durch
einen Anker A geschlossen wird, der die Polflächen der drei Schenkel überbrückt
und auf diese zu beweglich ist. Dieser Elektromagnet wird von der Wicklung 1, welche
den Schenkel Bi umgibt, und von der Wicklung 2 erregt, welche gleichzeitig die Schenkel
Bi und B2 umgibt. Beide Wicklungen haben die gleiche Windungszahl. Der Übersichtlichkeit
halber ist von jeder Wicklung nur eine Windung dargestellt.
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Zwei um 60° phasenverschobene Spannungen liegen an diesen Wicklungen.
Hierzu sind die beiden entsprechenden Enden. der Wicklungen 1 und 2 an eine Phase
u3 eines Drehstromnetzes angeschlossen und die beiden anderen Enden der Wicklungen
je an eine der anderen Phasen zsi und u2 desselben Netzes.
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Wie aus der vektoriellen Darstellung der Spannungen in Fig. 2 ersichtlich,
wird die Wicklung 1 von der Spannung V1 und die Wicklung 2 von der Spannung V2 gespeist,
deren Phasen um 60° gegeneinander verschoben sind. Die Spannungen V1 und V2 können
aus irgendwelchen Wechselspannungen entweder durch statische Phasenumformer mit
entsprechend bemessenen Induktivitäten oder Kondensatoren oder durch elektrodynamische
Schaltungen erzeugt werden. Die Wicklungen 1 und 2 induzieren in den Schenkeln des
Kernes N veränderliche magnetische Flüsse (F1, (p2, 993. Nimmt man an, daß
die Permeabilität des Kernes N hoch genug ist, so daß die Flußverluste in der Luft
vernachlässigt werden können, und wählt man eine positive Flußrichtung jn den Schenkeln
Bi, B2 und B3, z. B. in Richtung auf deren Enden, so ist: T1 '+' (P2 + P3 -
0. (I)
Setzt man die Spannungen gleich den Flußänderungen, welche sie erzeugen,
so erhält man für die Wicklung 1:
und für die Wicklung 2:
Hieraus ergibt sich:
Setzt man diese Werte in die differenzierte Gleichung (I) ein, so erhält man:
Aus dem Schema von Fig. 2 ist sofort ersichtlich, daß die drei Spannungsvektoren
V1, V2-Th und -Tl2 ein dreiphasiges System bilden. Dasselbe gilt für die Flüsse
und Induktionen. Der in Fig. 1 dargestellte dreischenklige Elektromagnet verhält
sich mit anderen Worten so, als ob sich auf jedem seiner Schenkel eine unabhängige
Wicklung befände und diese Wicklungen von den drei Phasen eines Drehstromes gespeist
würden. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind ohne weiteres ersichtlich
Der Elektromagnet besitzt nur zwei Spulen statt drei; zwischen zwei Schenkeln des
Kernes liegt nur eine Wicklungsstärke. Hierdurch können diese Schenkel einerseits
näher beieinander liegen, d. h., man kann ihre Abstände und damit die Reluktanz
des magnetischen Kreises verringern. Andererseits ist die Isolierung der Wicklungen
leichter, da sie derart angeordnet werden können, daß sie keinerlei Berührungspunkte
haben.
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Die Erfindung ist noch vorteilhafter, wenn die elektromagnetische
Vorrichtung, z. B. eine Kupplung, mehrere Elektromagneten besitzen muß und diese
zusammen von dem gleichen Wicklungspaar erregt werden können.
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So sind in Fig. 3 und 4 bei der dort dargestellten Motorbremse vier
dreipolige Kerne Na, NU, N, und Md gleichmäßig um eine Welle 3 verteilt,
welche in diesem Falle die Welle eines Elektromotors ist. Die vier Kerne werden
von einem flachen, feststehenden Ring 4 getragen. Dieser Ring ist am Ende von vier
Bolzen 5 befestigt, die von dem Ständergehäuse 6 des Motors getragen werden, dessen
Welle 3 in Lagern - wie das Lager 7 - gelagert ist. Der bewegliche Anker A besteht
aus einem Ring aus ferromagnetischem Stoff mit Bohrungen, durch die die Bolzen 5
frei hindurchtreten. Der Ring Ä ist mit einem zweiten flachen Ring 9 fest verbunden,
der durch die Bolzen 5 geführt ist; die flachen Ringe 10
und 11
sind ähnlich auf denselben Bolzen gleitend angebracht.
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Zwischen den flachen Ringen 9 und 10 einerseits sowie 10 und il andererseits
sind die gegenüber den flachen Seiten dieser Ringe mit Reibbelägen 14 versehenen
Scheiben 12 und 13 angeordnet. Diese Scheiben sind rotationsmäßig mit der Welle
3 verbunden. Diese Welle trägt eine verkeilte, aus zwei Teilen 15 a und 15
b bestehende Muffe, welche durch die Mutter 16 gehalten wird. Parallel zur
Achse der Welle 3 verlaufende Spindeln 17 werden an ihren Enden von den Flanschen
dieser Muffe getragen. Auf diesen Spindeln können die Scheiben 12 und 13 sich hin
und her bewegen. Die Spindeln 17 gehen in der \Tähe des Zentrums der Scheiben durch
diese hindurch. Die Federn 18, welche zwischen den Scheiben auf die Spindeln geschoben
sind, halten die Scheiben auseinander.
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Die zwischen den flachen Ringen 9, 10 und 11 auf die Bolzen 5 geschobenen
Federn 19 drücken diese ebenso .auseinander. Starke, zwischen dem ersten beweglichen
Ring 9 und dem festen Ring 4 auf den Bolzen 5 geschobene Federn 20 drücken dagegen
die Scheiben und die flachen Ringe gegeneinander.
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Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Sind die Wicklungen 1 und 2 nicht
unter Spannung, so drücken die Federn 20 die Scheiben und die flachen Ringe gegeneinander,
und die Motorwelle kann sich nicht drehen. Werden der Motor und die Wicklungen 1
und 2 eingeschaltet, so wird der Anker A angezogen, und die Federn 20 werden zusammengedrückt,
während die Federn 18 und 19 sich entspannen, wodurch sie die Scheiben und die Ringe
voneinander lösen. Hierdurch kann der Motor sich frei drehen. Umgekehrt wird der
Motor bei Abschalten des Stromes wieder gebremst.
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Der Motor wird aus Sicherheitsgründen nur freigegeben, wenn er eingeschaltet
ist, bei Abschalten oder Stromausfall wird er dagegen gebremst.
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Zur Einstellung des Luftspaltes zwischen dem Anker A und den Magnetkernen
und zur Vermeidung eines Klebens desselben infolge der Restmagnetisierung begrenzen
einstellbare Anschläge 21 die Bewegung des Ankers A in Richtung auf die Polflächen
der, Kerne.
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Im Falle der beschriebenen Bremse sind die Wicklungen 1 und 2 feststehend
und können über feststehende Anschlüsse mit dem Netz verbunden werden.
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Im Falle einer elektromagnetischen Kupplung ähnlicher Konstruktion,
bei welcher der Ring 4 und die Bolzen 5 jedoch rotieren würden, können die Wicklungen
1 und 2 über drei Ringe mit drei Bürsten gespeist werden. Eine ähnliche Anordnung
kann bei einem Futter vorgesehen werden, welches die zu bearbeitenden Stücke magnetisch
spannen soll.
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In allen Fällen kann die Anzahl der Kerne beliebig (gerade oder ungerade)
sein, und nur zwei Wicklungen genügen zu ihrer Erregung.