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Elektromagnetischer Grenzleistungsvibrator Die Erfindung betrifft
eine Methode zur Erhöhung der Schwingleistungsziffer von großen, mit Netzfrequenz
betriebenen elektromagnetischen Vibratoren. Derartige Geräte werden dazu verwendet,
frei schwingfähig gelagerte Massen, z. B. Förderrinnen od. ä., in eine periodische
hin- und hergehende Bewegung zu versetzen. Der Abstand zwischen den beiden Endlagen
einer solchen Masse wird dabei als Nutzschwingbreite s", die Masse selbst als Nutzmasse
N bezeichnet. Die sogenannte Nutzschwingleistungsziffer N ' s"2 [kg/mm2], die mit
einem bestimmten Vibrator höchstens erreichbar ist, dient üblicherweise als Vergleichsgröße.
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Die Entwicklung insbesondere der Fördertechnik, aber auch anderer
technischer Disziplinen, verlangt immer leistungsfähigere Vibratoren. Es gelang
jedoch nicht, unter Anwendung des bekannten Konstruktionsprinzips und bekannter
Werkstoffe mit einer Vibratoreinheit eine bestimmte Grenze der Nutzschwingleistungsziffer
zu überschreiten.
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An Hand der Fig. 1, die den prinzipiellen Aufbau eines bekannten Schraubenfedervibrators
zeigt, soll dies verdeutlicht werden. Die zu vibrierende Nutzmasse N ist an Festpunkten
beweglich aufgehängt. Der Vibrator besteht im wesentlichen aus dem Anbauteil 1 mit
Anker 2 und Federbolzen 7 und 8, aus den Schraubenfedern 3 bis 6 sowie aus der Traverse
10 mit Elektromagnet 9. Die beiden letztgenannten Teile können als Freimasse bezeichnet
werden. Sie führen gegenüber der Nutzmasse und den mit ihr fest verbundenen Teilen
eine gegenläufige Schwingung aus.
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Zunächst sei von folgendem einfachem Gedanken ausgegangen: Um eine
Nutzmasse bei der gleichen Frequenz und den gleichen Ausschlägen verdoppeln zu können,
müssen die beiden Vibratorteile ebenfalls doppelt so groß gemacht werden. Dabei
verdoppelt sich auch die nach der bekannten Formel zu errechnende resultierende
Masse. Voraussetzung für das Funktionieren dieses verdoppelten Massenschwingsystems
ist das Verdoppeln der Federkonstante und der anregenden Kraft. Es hat sich jedoch
gezeigt, daß unter dieser Voraussetzung die oben angenommene Massenverdoppelung
der Vibratorteile nicht zu verwirklichen ist. Bei konstruktiver Berücksichtigung
der doppelten dynamischen Beanspruchung liegen die Massen sämtlicher Vihratorbauteile
höher als der doppelte Wert, so daß man gezwungen ist, die ursprünglich geplante
Nutzmasse wesentlich zu reduzieren, um wieder die doppelte resultierende Masse und
damit die vorgeschriebene Eigenfrequenz des Systems zu erhalten.
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Es existiert also bei den bekannten Vibratoren im Gegensatz zu anderen
elektrischen Maschinen ein eindeutiges Leistungsmaximum. Bei Überschreitung dieses
Maximums fällt die Leistung wieder ab, d. h., bei weiterer Vergrößerung der Federn
und des Magnetsystems nimmt die Masse des Vibrators selbst so sehr zu, daß die zu
vibrierende Nutzmasse verkleinert werden müßte.
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Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß nur durch Vergrößerung
der relativen Schwingbreite s (Differenz zwischen größtem und kleinstem Massenabstand)
und damit durch einen entsprechenden Zuwachs der Nutzschwingbreite s" die Nutzschwingleistungsziffer
erhöht werden kann.
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In der Fig. 2 ist der Zusammenhang von Nutzschwingbreite s" und Vibratorspannung
U aufgezeichnet, wie er sich bei einem vorstehend beschriebenen Vibrator, dessen
Magnet mit einem Schnittbandkern ausgerüstet ist, darstellt. Bei steigender Spannung
steigt die Nutzschwingbreite zunächst steil an. Dann treten Sättigungserscheinungen
im magnetischen Kreis auf, und die Kurve verläuft flacher, bis etwa bei
U = 1,1 UN die Vibratorteile gegeneinanderschlagen. Damit ist der
sogenannte Anschlag erreicht, ein Betriebszustand, der wegen der gewaltigen Stoßbeanspruchung
unbedingt vermieden werden muß. Die Erfahrung hat nun gezeigt, daß bei Anschluß
an die üblichen Versorgungsnetze die notwendige Sicherheit gegen Anschlag gewährleistet
ist, wenn man den Arbeitspunkt für Nennspannung, etwa wie in Fig. 2 gezeigt, nach
P1 legt. Der Vibrator kommt dann erst bei 10a/aigem Spannungsanstieg zum Anschlag.
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Erfindungsgemäß wird nun der Vibrator mit Hilfe einer selbsttätigen
transduktorischen Steuer- oder Regeleinrichtung zur Konstanthaltung der Vibratorspannung
kurz. vor dem Anschlag betrieben und das Magnetsystem so ausgebildet, daß sein Strom
oberhalb der Nennspannung mit der Spannung ansteigt. Im Beispiel entspricht dies
etwa dem Arbeitspunkt P2.
Die Sicherheit gegen Anschlag wird damit
nicht mehr durch den bei größter Annäherung der beiden Massen noch vorhandenen Minimalluftspalt,
sondern durch die genannte Konstanthalteeinrichtung gewährleistet, die dafür sorgt,
daß sich die Spannungserhöhungen im Netz nicht mehr auf den Vibrator auswirken.
Der praktische Erfolg dieser Maßnahme ist unter anderem darin begründet, daß die
Nutzschwingbreite s" quadratisch in die Nutzschwingleistungsziffer eingeht. So ist
z. B. eine Erhöhung derselben auf nahezu den doppelten Wert möglich.
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Bei den bekannten Vibratoren mit Schichtkernen ist der Einsatz von
Spannungskonstanthaltern für den Betrieb in dem betrachteten Bereich kurz vor dem
Anschlag nicht möglich. Dies soll an Hand der Fig. 3 deutlich werden, in welcher
die Kennlinie 1 den Stromverlauf eines Schichtkernvibrators darstellt. Bei Steigerung
der Spannung über die Nennspannung hinaus, d. h. bei Verkleinerung des Minimalluftspaltes,
fällt der Vibratorstrom ab. Dies verursacht bekanntlich eine Instabilität der geregelten
Spannung. Erst die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verwendung eines Magnetsystems
mit steigendem Stromverlauf nach Kennlinie 2 der Fig. 3, beispielsweise eines Magnetsystems
mit Schnittbandkern, ermöglicht es, daß mit Hilfe von Konstanthaltern auch eine
Spannung eingehalten werden kann, die nur wenige Prozent unterhalb der Anschlagspannung
liegt. Dabei ergibt sich als weiterer Vorteil eine geringere Scheinleistungsaufnahme
infolge des geringeren wirksamen Luftspaltes.