DE1117334B - Schaltungsanordnung zur Erzielung einer gleichmaessigen Belastung der Wechselstromspeisequelle bei Ultraschallschwingern - Google Patents

Description

DEUTSCHES

kl. 42 s -

INTERNATIONALE KL.

PATENTAMT F 06 h; H 03 h

B 49331 IXb/42s

ANMELDETAG: 19. JUNI 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 16. NOVEMBER 1961

Ultraschallschwinger zur Erregung von Schwingungen in zu behandelnden Medien sind bekannt. Nach dem verwendeten physikalischen Effekt unterscheidet man allgemein Magnetostriktionsschwinger und piezoelektrische Schwinger. Bei den Magnetostriktionsschwingern führt ein Kern aus einem geeigneten Metall Formänderungen aus, wenn er durch eine Spule magnetisch erregt wird. Piezoelektrische Schwingerverwenden den piezoelektrischen Effekt, d. h. die Erscheinung, daß sich bestimmte Kristalle unter dem Einfluß eines angelegten Potentials ausdehnen bzw. zusammenziehen. Entsprechend der Art ihrer Erregung stellen die Magnetostriktionsschwinger meist eine induktive und die piezoelektrischen Schwinger eine kapazitive Last dar, wobei es bekannt ist, diese beiden Schwingertypen gemeinsam an einen Generator anzuschalten, so daß sie annähernd eine Wirkbelastung bilden.

Das in Magnetostriktionsschwingern verwendete aktive Material hat die Eigenschaft, daß es sowohl bei positiver als auch bei negativer Polarität der Magnetisierung eine Formänderung ausführt. Der Grad der Formänderung hängt nur von der Höhe des angelegten Magnetfeldes und nicht von dessen Richtung ab. Wenn daher der Schwinger mit Wechselstrom erregt wird, so wird er bei der positiven wie auch bei der negativen Halbwelle eine volle Schwingung ausführen, so daß sich bei der Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie eine Frequenzverdopplung ergibt. Dies soll jedoch vermieden werden, da der Schwinger nur dann eine erhebliche Schwingungsamplitude abgibt, wenn er in mechanischer Resonanz mit der Frequenz des erregenden Wechselstromes ist.

Eine derartige Frequenzverdopplung kann bekanntlich dadurch vermieden werden, daß das aktive Material einer Vormagnetisierung unterworfen wird, die stärker ist als die höchste durch die Wechselstromerregung auftretende Amplitude. Es ist bekannt, diese Vormagnetisierung entweder durch einen auf den magnetischen Kreis des Schwingers einwirkenden Permanentmagnet oder durch Gleichstrom hervorzurufen, der dem erregenden Wechselstrom überlagert ist, so daß sich in der Spule eine pulsierende Gleichspannung ergibt.

Auch für piezoelektrische Schwinger ist es vorteilhaft, dem erregenden elektrischen Wechselfeld ein Gleichfeld zu überlagern, das größer als die Amplitude des Wechselfeldes ist.

Durch die einseitige Vormagnetisierung bzw. durch die an den Schwinger angelegte Vorspannung ergibt sich ein neues Problem, dessen Lösung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.

Schaltungsanordnung
zur Erzielung einer gleichmäßigen Belastung

der Wechselstromspeisequelle
bei Ultraschallschwingern

Anmelder:

The Bendix Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. K.-A. Brose, Patentanwalt,
Pullach bei München, Wiener Str. 1/2

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. Juli 1957 (Nr. 669 562)

Channing W. Hayes, Davenport, Ia. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Die Magnetisierungskurve des Magnetostriktionsschwingers verläuft nicht linear, d. h., die magnetische Induktion nimmt nicht proportional mit der angelegten magnetischen Feldstärke zu. Wegen der einseitigen Vormagnetisierung erzeugt nun eine Halbwelle des erregenden Wechselstromes, deren Arbeitsbereich im flachen Bereich der Kennlinie liegt, eine kleinere Änderung der magnetischen Induktion als die zweite Halbwelle. Die Wechselstromquelle muß daher in der positiven Halbwelle eine andere Wirk- und Blindleistung abgeben als in der negativen HaIbwelle.

In ähnlicher Weise wie bei Magnetostriktionsschwingern ist bei piezoelektrischen Schwingern kein linearer Zusammenhang zwischen der angelegten elektrischen Feldstärke und der Änderung der Abmessung des Schwingerelements gegeben, so daß auch hier die Belastung der Speisequelle in dem positiven und negativen Halbwellen verschieden ist. Die sich aus einer solchen Belastung ergebenden Nachteile sind bekannt.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mittels der die Ultraschallschwinger so an die Speisequelle an-

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geschlossen werden, daß diese in der positiven und negativen Halbwelle des speisenden Wechselstromes gleichbelastet ist.

Dies wird bei Ultraschallschwingern, die sowohl einem einseitig gerichteten elektrostatischen oder magnetischen Feld als auch einem elektrostatischen bzw. magnetischen Wechselfeld ausgesetzt sind, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jeweils zwei getrennte Ultraschallschwinger mechanisch voneinander unabhängig an die zu beschallende Anordnung angekoppelt sind und so miteinander verbunden und an die Speisequelle angeschaltet sind, daß in der einen Halbwelle das Wechselfeld das einseitig gerichtete Feld im ersten Schwinger unterstützt und ihm im zweiten Schwinger entgegensteht, und daß in der folgenden Halbwelle das Wechselfeld dem einseitigen Feld im ersten Schwinger entgegensteht und es im zweiten Schwinger unterstützt.

Bei einem bekannten elektrostatischen Lautsprecher, bei dem eine bewegliche Membran zwischen zwei festen Elektroden schwingt, wird zwar auch eine Wechselspannung an die festen Elektroden und eine Gleichspannung an die bewegliche Membran angelegt, die Gleichspannung dient jedoch hier in Verbindung mit einem leitenden, in seinem Widerstand von der Membranstellung abhängigen Dielektrikum und zwei zwischen die festen Elektroden und die speisende Wechselspannung eingeschalteten Widerständen zur Linearisierung der Membranbewegung.

In einer speziellen Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung so ausgeführt werden, daß an die Wechselstromspeisequelle die Primärwicklung eines Gegentakttransformators angeschlossen ist, der eine Sekundärwicklung aufweist, deren Enden jeweils mit identischen Klemmen der Schwinger verbunden sind und deren Mittelanzapfung über eine Gleichstromquelle an die miteinander verbundenen anderen Klemmen der Schwinger angeschlossen ist.

Eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung besteht darin, daß an die Wechselstromspeisequelle die Primärwicklung eines Transformators angeschlossen ist und daß das eine Ende der Sekundärwicklung über einen Kondensator an miteinander verbundene, identische Klemmen der Übertrager angeschlossen ist, wobei die andere Klemme des ersten Übertragers direkt und die andere Klemme des zweiten Übertragers über einen Kondensator mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung verbunden ist, wobei eine mit einer Drossel in Reihe liegende Gleichstromquelle dem Kondensator parallel geschaltet ist.

In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können sowohl Ultraschallschwinger nach dem magnetostriktiven als auch nach dem piezoelektrischen Prinzip Verwendung finden.

Weiter kann bei Verwendung eines magnetostriktiven Schwingers das einseitig gerichtete Magnetfeld sowohl durch einen mit dem magnetischen Kreis des Schwingers gekoppelten Permanentmagnet als auch durch Anlegen einer Gleichspannung an die den Kern des Übertragers umgebende Wicklung hervorgebracht werden.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Abänderung der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform,

Fig. 3 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der magnetischen Induktion und der magnetischen Feldstärke des Kerns eines Magnetostriktionsschwingers wiedergibt,

Fig. 4 und 5 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen der Erfindung und

Fig. 6 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen den Abmessungen eines piezoelektrischen Schwingers und den elektrostatischen Feldern wiedergibt, denen er ausgesetzt ist.

Die Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Magnetisierungskurve des Kernes eines Magnetostriktionsschwingers, bei dem an der Ordinate die magnetische Induktion und an der Abszisse die magnetische Feldstärke aufgetragen ist. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, nimmt die magnetische Induktion nicht proportional mit der magnetischen Feldstärke zu. Der Punkt B in der Mitte der Abszisse stellt die Größe der zeitlich konstanten Vormagnetisierung dar, die auf der Ordinate eine magnetische Induktion entsprechend dem Punkt E ergibt. Eine zeitlich veränderliche magnetische Feldstärke 11 ergibt durch Überlagerung mit der zeitlich konstanten Feldstärke B eine resultierende Feldstärke, die zwischen den Punkten A und C schwankt, wobei die Punkte A und C gleiche Abstände von dem Punkt B aufweisen. Wie die Fig. 3 erkennen läßt, schwankt die daraus resultierende magnetische Induktion zwischen den Punkten F und D um den Punkt E, wobei jedoch der Abstand E-D kleiner ist als der Abstand E-F. Dieser Unterschied in den Abständen E-D und E-F stellt daher die Ungleichförmigkeit der Belastung dar, die der Schwinger dem Wechselstromspeisegenerator bietet.

In den folgenden Ausführungsbeispielen der Erfindung werden die Schwinger jeweils paarweise verwendet. Jeder einzelne Übertrager weist dabei wegen seiner gekrümmten Magnetisierungskurve die beschriebene Belastungsungleichförmigkeit auf, ist jedoch mit dem zweiten Schwinger so zusammengeschaltet, daß sich in der ersten Halbwelle des erregenden Wechselstromes dessen Magnetfeld zu dem der Vormagnetisierung im ersten Schwinger hinzuaddiert, während es von der Vormagnetisierung des anderen Schwingers subtrahiert wird.

Die Fig. 1 zeigt einen Behälter 47 einer Ultraschallreinigungsanlage, der mit der Reinigungsflüssigkeit gefüllt ist und an dessen Wandung 46 die Kerne 20 und 21 der Magnetostriktionsschwinger befestigt sind. Die Kerne sind vorteilhafterweise mit fensterartigen Ausschnitten versehen, so daß sich ein Magnetfluß um diese fensterartigen Ausschnitte bilden kann. Ein Teil der Kerne 20 und 21 wird durch Permanentmagnete 24 und 25 gebildet, wobei der durch die Magnete erzeugte magnetische Fluß durch die Pfeile 26 bzw. 27 dargestellt ist und die Nord- und Südpole der Magnete mit N und S bezeichnet sind. Um je einen Schenkel der Kerne 20 und 21 sind Windungen 28 und 29 angebracht, die so miteinander in Reihe geschaltet sind, daß¹ ein durch die Wicklungen fließender Wechselstrom während einer Periode den Magnetfluß 26 im Kern 20 unterstützt und sich dem Fluß 27 im Kern 21 entgegensetzt, wie es mit den Pfeilen 37 und 38 dargestellt ist. In der nächsten Halbwelle des erregenden Stromes wechseln die Pfeile 37 und 38 ihre Richtung. Zweckmäßigerweise erfolgt die Speisung der Schwinger 20, 21 aus einer Wechselstromquelle 33, deren Frequenz der der

mechanischen Resonanzfrequenz der Schwinger entspricht. Diese WechselstromqueUe 33 speist die Primärwicklung 34 eines Transformators 35, der eine Sekundärwicklung 36 mit Mittelabgriff 36 A aufweist. Die Enden dieser Wicklung 36 sind mit den Enden der Wicklungen der Schwinger 20, 21 verbunden, wobei eine Gleichstromquelle 40 zwischen den Mittelabgriff 36/1 und der Verbindungsstelle 41 zwischen beiden Wicklungen 28 und 29 liegt. Die Gleichstromquelle 40 erzeugt in beiden Kernen 20 und 21 einen Magnetfluß, der den Magnetfluß unterstützt, der durch die Pfeile 26 und 27 dargestellt ist und von den Permanentmagneten 24 und 25 hervorgebracht wird. Der durch die Gleichstromquelle erzeugte Gleichstrom hat auf den Transformator 35 keinen Einfluß, da er die beiden Hälften der Sekundärwicklung 36 in entgegengesetzten Richtungen durchfließt, so daß sich seine magnetischen Wirkungen aufheben. Die Kondensatoren 44 und 45, die parallel zu den Wicklungen 28 bzw. 29 geschaltet sind, zeigen, daß auch bei der erfindungsgemäßen Schaltung eine Kompensation der induktiven Blindleistung der Schwinger möglich ist. Da durch die Schaltung in einem Kern der Magnetfluß abnimmt und im anderen Kern der Magnetfluß in einem betrachteten Augenblick zunimmt, so wird sich der eine Kern infolge der Magnetostriktionswirkung zusammenziehen und der andere ausdehnen. Die von beiden Schwingern ausgeübten mechanischen Kräfte sind daher nicht in Phase.

Die Fig. 2 zeigt eine Schaltung, bei der kein Mittelabgriff am Transformator erforderlich ist. Es sind hier ebenfalls an einer Wandung 70 eines Behälters 71 die Kerne 50 und 51 der Schwinger 52 und 53 befestigt. Die Kerne 50 bzw. 51 tragen je eine Wicklung 54 bzw. 55, von denen je ein Ende am Punkt 66 miteinander und mit einem Kondensator 65 verbunden ist, der an ein Ende einer Sekundärwicklung 63 eines Transformators 62 angeschlossen ist, dessen Primärwicklung 61 von einer WechselstromqueUe 60 gespeist wird. Der Kondensator 65 dient zur Verbesserung des Leistungsfaktors und zur Sperrung des Gleichstroms aus der später angeführten Gleichstromquelle. Das zweite Ende der Sekundärwicklung 63 ist an einen gemeinsamen Punkt oder an Erde 64 angeschlossen und mit dem zweiten Ende der Wicklung 54 auf dem Kern 50 verbunden. Das zweite Ende der Sekundärwicklung 63 ist ebenfalls über einen Kondensator 67, der einen vernachlässigbaren kleinen Wechselstromwiderstand besitzt, jedoch ein Fließen von Gleichstrom verhindert, mit dem zweiten Ende der Wicklung 55 auf dem Kern 51 verbunden. Eine Gleichstromquelle 68 ist einerseits über eine Drossel 69, die das Fließen von Wechselstrom hindert, an den gemeinsamen Punkt 64 und andererseits an das zweite Ende der Wicklung 55 angeschlossen.

Der Weg des Gleichstroms führt also von der Gleichstromquelle 68 über die Wicklungen 55 und 54 zum Punkt 64 und von dort zurück über die Drossel 69 zur Gleichstromquelle 68. Der Weg des Wechsel-Stroms führt von einem Ende der Sekundärwicklung 63 über den Kondensator 65, die Wicklung 54 zum anderen Ende der Wicklung 63 und andererseits von dem einen Ende der Wicklung 63 über den Kondensator 65, die Wicklung 55, den Kondensator 67 zum anderen Ende der Sekundärwicklung 63. In einem gegebenen Augenblick hat daher der durch den Wechselstrom in den Kernen hervorgerufene Magnetfluß die gleiche Richtung, die durch die Gleichstromquelle 68 hervorgerufene Vormagnetisierung in beiden Kernen jedoch entgegengesetzte Richtung.

In dem Diagramm der Fig. 6 ist die Maßänderung eines piezoelektrischen Schwingers auf der Ordinate und die elektrostatische Feldstärke auf der Abszisse dargestellt. Wie dieser Figur entnommen werden kann, wird die Steigung der Kurve 110 mit wachsender Feldstärke größer. Eine auf den Schwinger ausgeübte Feldstärke von der Größe H veranlaßt diesen zu der Maßänderung L. Diese Feldstärke H ist zeitlich konstant, und ihr wird ein elektrostatisches Wechselfeld 111 überlagert, wobei die resultierende Feldstärke zwischen dem Punkt G und dem Punkt J₁ die jeweils gleich weit von dem Punkt # entfernt sind, schwankt. Die entsprechende Maßänderung des Schwingers schwankt jedoch von dem von der Vorspannung herrührenden Punkt L bis zu dem kleinsten Wert M nur wenig, von dem Punkt L bis zu dem Punkt K jedoch um ein erhebliches Maß. Der Unterschied in den Strecken L~M und L~K ist ein Maß für die Ungleichförmigkeit der Belastung, die der Schwinger dem Wechselstromgenerator bietet,

Die Fig. 4 und 5 zeigen, Ausführungsbeispiele der Erfindung für piezoelektrische Schwinger. In Fig. 4 speist eine Wechselstromquelle 134 die Primärwicklun 135 eines Transformators 136, der eine Sekundärwicklung 137 mit Mittelabgriff 138 aufweist. Der weitere Wechselstromkreis führt von einem Ende der Sekundärwicklung 138 zur Elektrode 124 des Schwingers 120, von dessen anderer Elektrode 125 zur Elektrode 126 des Schwingers 121 und von· dessen anderer Elektrode 127 zum zweiten Wicklungsende der Sekundärwicklung 137. Die Schwinger 120 und 121 sind an den Böden 130 und 131 zweier Behälter 132 und 133 für die Ultraschallreinigungsflüssigkeit befestigt, die zu einem Zweistufen-Ultraschallreiniger gehören. 122 und 123 sind die piezoelektrischen Elemente der Schwinger 120 und 121. Die einerseits an den Mittelabgriff 138 der Sekundärwicklung 137 und andererseits an die Verbindungsstelle der beiden Elektroden 125 und 126 angeschlossene Gleichstromquelle 140 versorgt die beiden Schwinger mit einer Gleichstromvorspaniiung, wie sie durch die gestrichelten Teile 141 und 142 dargestellt ist. Während einer Halbwelle der von der WechselstromqueUe 134 gelieferten Spannung erhalten die Schwinger 120 und 121 eine weitere Spannung, die sich der zeitlich unveränderlichen Spannung aus der Gleichstromquelle 140 überlagert und durch die gestrichelten Pfeile 143 und 144 dargestellt ist; während dieser halben Periode sind die Gleichspannung und die Wechselspannung im Schwinger 120 entgegengesetzt gerichtet und unterstützen sich im Schwinger 121. In der nächsten Halbwelle kehrt die Wechselspannung und damit die Pfeile 143 und 144 um, so daß sich die zeitlich unveränderliche Gleichspannung und die Wechselspannung im Schwinger 120 unterstützen und sich im Schwinger 121 entgegenstehen. Die beiden Schwinger stellen deshalb zusammengenommen für die WechselstromqueUe in beiden Halbwellen eine gleichmäßige Belastung dar.

In Fig. 5 speist ein Wechselstromgenerator 160 die Primärwicklung 162 eines Transformators 161, wobei ein Ende der Sekundärwicklung 163 sowohl mit der Elektrode 153 des Schwingers 147 als auch mit der Elektrode 154 des Schwingers 148 verbunden ist. Das andere Ende der Sekundärwicklung ist mit einer gemeinsamen Erdklemme 151, mit der anderen Elek-

trade 152 des Schwingers 147 und über einen Kondensator 165 mit der anderen Elektrode 155 des Schwingers 148 verbunden. Der Kondensator 165 hat einen geringen Wechselstromwiderstand, so daß beide Schwinger 147 und 148 wechselstrommäßig parallel 5 an die Sekundärwicklung 163 angeschlossen sind. Die Gleichstromquelle 150 ist einerseits an die gemeinsame Erdklemme 151 und andererseits über eine Drossel 156, die ein Fließen von Wechselstrom durch die Gleichstromquelle verhindert, mit der Elektrode verbunden. Für die Gleichstromvorspannung ergibt sich daher ein in Reihe geschalteter Stromkreis von der Quelle 150 zur gemeinsamen Erdklemme 155, zur Elektrode 152 über den Schwinger 147 zur Elektrode 153, von dort über die Verbindungsstelle 164 zur Elektrode 154, über den Schwinger 148 zur Elektrode 155 und von dort zur anderen Klemme der Stromquelle 150.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schaltungsanordnung zur Erzielung einer gleichmäßigen Belastung der Wechselstromspeisequelle in der positiven und negativen Halbwelle bei Ultraschallschwingern, die sowohl einem einseitig gerichteten elektrostatischen oder magnetisehen Feld als auch einem elektrostatischen bzw. magnetischen Wechselfeld ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei getrennte Ultraschallschwinger mechanisch voneinander unabhängig an die zu beschallende Anordnung angekoppelt sind und so miteinander verbunden und an die Speisequellen angeschaltet sind, daß in der einen Halbwelle das Wechselfeld das einseitig gerichtete Feld im ersten Schwinger unterstützt und ihm im zweiten Schwinger entgegensteht, und daß in der folgenden Halbwelle das Wechselfeld dem einseitig gerichteten Feld im ersten Schwinger entgegensteht und es im zweiten Schwinger unterstützt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Wechselstromspeisequelle (33, 134) die Primärwicklung (34, 135) eines Gegentakttransformators (35, 136) angeschlossen ist, der eine Sekundärwicklung (36,

137) aufweist, deren Enden jeweils mit identischen Klemmen der Schwinger (20, 21; 120, 121) verbunden sind und deren Mittelanzapfung (36^4,

138) über eine Gleichstromquelle (40, 140) an die miteinander verbundenen anderen Klemmen der Schwinger (20, 21; 120, 121) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Wechselstromspeisequelle (60, 160) die Primärwicklung (61, 162) eines Transformators (62,161) angeschlossen ist und daß das eine Ende der Sekundärwicklung (63, 163) über einen Kondensator (65) an miteinander verbundene identische Klemmen der Übertrager (52, 53, 147, 148) angeschlossen ist, daß die andere Klemme des ersten Übertragers (52, 147) direkt und die andere Klemme des zweiten Übertragers (53, 148) über einen Kondensator (67, 165) mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung (63, 163) verbunden ist und daß eine mit einer Drossel (69, 156) in Reihe liegende Gleichstromquelle (68, 150) dem Kondensator (67, 165) parallel geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ultraschallschwinger (20, 21; 52, 53; 122, 123; 147, 148) entweder piezoelektrische (122, 123; (147, 148) oder magnetostriktive (20, 21, 52, 53) Schwinger sind.

5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung magnetostriktiver Schwinger das einseitig gerichtete Magnetfeld sowohl durch einen mit dem magnetischen Kreis des Schwingers gekoppelten Permanentmagnet (24, 25) als auch durch Anlegen einer Gleichspannung an eine den Kern des Übertragers umgebende Wicklung hervorgebracht wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 551 949, 837 017,

030;

USA.-Patentschrift Nr. 2411911;
L.Bergmann, »Der Ultraschall«, O.Auflage,

Stuttgart, 1944, S. 74.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 739/109 11.61