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Elektromagnetische Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der Schwingungen
eines mechanischen schwingenden Systems, insbesondere eines Hackers für Textilmaschinen
Die Erfindung betrifft die elektromagnetischen Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung
von Schwingungen eines Teils, insbesondere eines Hackers zum Ablösen des Faserflors
in Textilmaschinen, wobei dieser Teil mit einer Welle verbunden ist, welche elastisch
in eine mittlere Gleichgewichtswinkelstellung zurückgezogen wird, so daß ein schwingendes
System mit einer Eigenfrequenz entsteht, dessen Schwingungen durch das elektromagnetische
Antriebssystem aufrechterhalten werden.
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Es ist bereits eine Vorrichtung mit einem gegen Drehung gesicherten,
federnd gelagerten, magnetischen Anker bekannt, der durch ein umlaufendes magnetisches
Feld auf einer geschlossenen Kurvenbahn bewegt wird. Das magnetische Feld wird durch
Wechselstrom oder Gleichstrom erzeugt, welcher entsprechend gesteuert wird, so daß
die Frequenz der Schwingungen durch die Frequenz des erregenden Magnetfeldes bestimmt
ist.
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Bei einer anderen bekannten Ausführung eines Schwingankermotors trägt
ein mit Rückholfedern kombinierter Anker einen magnetischen Stab, welcher durch
mit Wechselstrom oder unterbrochenem Gleichstrom gespeiste Spulen periodisch angezogen
wird, wobei die Periode der Drehschwingung ebenfalls durch die Periode des erregenden
Magnetfeldes bestimmt wird.
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Schließlich ist noch ein Drehschwingmotor bekanntgeworden, bei welchem
der Luftspalt zwischen dem Anker und dem die Erregerwicklungen tragenden Stator
in Funktion des Drehwinkels so veränderlich ist, daß die Drehamplitude und das Drehmoment
vergrößert werden.
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Bei dieser Ausführung ist die Frequenz der Pendelschwingung ebenfalls
durch die Frequenz des Erregerfeldes bestimmt.
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Demgegenüber ist die den Erfindungsgegenstand bildende elektromagnetische
Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der Schwingungen eines mechanischen schwingenden
Systems, insbesondere eines Hackers für Textilmaschinen, bei welcher der schwingende
Teil mit einer elastisch in eine mittlere Gleichgewichtswinkelstellung zurückgezogenen
Welle verbunden ist, so daß ein schwingendes System mit einer Eigenfrequenz entsteht,
dessen Schwingungen durch ein elektromagnetisches Antriebssystem aufrechterhalten
werden, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Antriebssystem durch
einen einphasigen oder zweiphasigen Asynchronmotor gebildet wird, dessen Rotor mit
der mit dem schwingenden Teil verbundenen Welle gekuppelt ist.
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Bei dieser Ausführung wird die Frequenz der Schwingungen entgegen
den bekannten Ausführungen nicht durch die Frequenz des Erregerfeldes bestimmt,
sondern durch die Resonanzfrequenz des mechanischen Teils. Hierdurch entfällt auch
der Nachteil der bekannten Vorrichtungen, bei welchen die Schwingungsfrequenz durch
die Erregerfrequenz des Magnetfeldes bestimmt wird, daß die Schwingungsamplitude
um so kleiner ist, je höher die Erregerfrequenz ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungen eines
mechanischen Teils ist sehr einfach, ihr Stromverbrauch ist gering, und sie läuft
von selbst an, wie dies weiter unten erläutert ist.
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Sie ermöglicht ferner die Regelung der Frequenz durch Veränderung
der Kenngrößen, welche die Eigenfrequenz des mechanischen schwingenden Systems bestimmen.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Einrichtungen zur elastischen
Rückführung der Welle in ihre mittlere Gleichgewichtswinkelstellung in an sich bekannter
Weise durch einen Torsionsstab gebildet, welcher innerhalb dieser hierfür rohrförmig
ausgebildeten Welle angeordnet ist, wobei ein Ende des Torsionsstabes mit dem mit
dem Rotor des Motors gekuppelten Ende der Welle fest verbunden ist,
während
das andere Ende des Torsionsstabes fest eingespannt ist.
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Ein derartiger Aufbau hat einen besonders geringen Platzbedarf, da
der gesamte Torsionsstab zur elastischen Rückführung des Systems innerhalb der Welle
angeordnet ist.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielshalber erläutert.
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F i g. 1 zeigt schematisch in einer Seitenansicht unter Wegbrechung
von Teilen eine mit einem Hacker für Textilmaschinen kombinierte erfindungsgemäße
elektromagnetische Antriebsvorrichtung; F i g. 2 bis 5 sind Diagramme zur Erläuterung
der Arbeitsweise der elektromagnetischen Vorrichtung zum Antrieb des Hackers.
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Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung enthält den eigentlichen Hacker
1, der an einer Rohrwelle 2 befestigt ist, deren eines Ende in einem Lager 3 gelagert
und ihr anderes Ende mit einer Kupplung 4
starr verbunden ist, welche an der
Welle 5 des Rotors eines einphasigen oder zweiphasigen Asynchronmotors 6 befestigt
ist.
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Die Rohrwelle 2 enthält einen gleichachsigen Torsionsstab
8, welcher die Welle und den Hacker 1
elastisch in eine mittlere Gleichgewichtswinkelstellung
zurückzieht. Hierfür ist ein Ende des Torsionsstabes 8 mit dem an der Kupplung 4
befestigten Ende der Welle 2 starr verbunden, während sein anderes Ende in einer
Scheibe 9 befestigt ist, welche ihrerseits mit dem Lager 3 starr verbunden ist.
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Die durch den Hacker 1, die Welle 2, die Kupplung 4, den Rotor
des Motors und den Torsionsstab 8
gebildete Anordnung bildet ein schwingendes
System, dessen Eigenfrequenz eine Funktion des Trägheitsmoments des gesamten Systems
und der Kenngrößen des Torsionsstabes ist.
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Die Vorrichtung arbeitet folgendermaßen: Der durch den Stator des
Motors erzeugte magnetische Wechselfluß kann in zwei gleiche Gleichflüsse 0A und
OB (F i g. 2) zerlegt werden, welche sich mit gleichen Geschwindigkeiten
gegensinnig drehen. Der veränderliche resultierende Fluß 0D liegt auf der festen
Richtung der Winkelhalbierenden des Winkels der beiden Flußkomponenten und ist für
jede Stellung der beiden Drehflüsse gleich der Vektorsumme dieser beiden Flüsse.
Der Fluß OD ändert sich daher zeitlich sinusförmig, und seine Amplitude beträgt
das Doppelte der Amplitude einer jeden umlaufenden Flußkomponente.
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Die in dem Rotor induzierten elektromotorischen Kräfte und Ströme
sind daher in jedem Augenblick gleich der algebraischen Summe der elektromotorischen
Kräfte und Ströme, welche in dem Rotor getrennt durch diese beiden Flüsse induziert
würden.
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Jeder dieser induzierten Ströme erzeugt einen mit ihm in Phase befindlichen
Drehfluß, so daß in dem Rotor wie in dem Stator zwei gegensinnige Drehflüsse entstehen.
Die magnetischen Wirkungen dieser beiden sich zwischen den entsprechenden Drehpolen
drehenden Flüsse erzeugen konstante und entgegengesetzte Momente, so daß bei Fehlen
besonderer Maßnahmen der Motor nicht anläuft und von dem Benutzer willkürlich in
dem einen oder dem anderen Sinn angeworfen werden muß.
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Da der Rotor des einphasigen oder zweiphasigen Asynchronmotors gleichzeitig
starr mit einem Ende des Gestells des Hackers und mit einem Ende des Torsionsstabes
gekuppelt ist, dessen anderes Ende fest eingespannt ist, könnte man zunächst meinen,
daß der Rotor selbst bei Speisung des Motors unbeweglich bleibt. Nun unterliegt
aber der Kurzschlußläufer dem Einfluß der beiden gegensinnigen Drehflüsse mit der
Kreisfrequenz p (wobei p die Polpaarzahl des Stators ist). Die wirklichen
Verhältnisse können leicht mit Hilfe von F i g. 3 und 4 verabfolgt werden, auf welchen
getrennt in zwei schematischen Darstellungen die beiden Drehfelder und die entsprechenden
Ergebnisse in dem Rotor dargestellt sind.
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Die beiden Statordrehflüsse Osl und Ost erzeugen in dem Rotor induzierte
elektromotorische Kräfte E,'; und E,.,, welche um 2 gegen die entsprechenden Statorfelder
Os,, und Ost nach rückwärts verschoben sind. Sie erzeugen die nachstehenden Rotorströme
I,'i und I12:
Diese Ströme sind gegen die entsprechenden induzierten elektromotorischen Kräfte
El' und E@" um einen Winkel m verschoben, derart, daß
Diese atröme erzeugen inrerseits riusse wr, una 0,'2, welche mit den entsprechenden
Stromstärken I,'i und 1,2' in Phase und zu diesen proportional sind, da zur Vermeidung
von Streuflüssen der Querschnitt der Magnetkreise so reichlich bemessen ist, daß
die Sättigung niemals erreicht wird.
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Wenn der Stator an Spannung gelegt wird, dreht sich der Rotor nicht,
und der Motor verhält sich wie ein Einphasentransformator, bei welchem der Stator
die Primärwicklung mit hoher Windungszahl ist, während der Rotor die Rolle der Sekundärwicklung
mit einer kleinen Zahl von Kurzschlußwindungen spielt. Der Magnetkreis ist übrigens
unvollkommen, da er infolge seiner Unterteilung durch den Luftspalt der Primärwicklung
und Sekundärwicklung nicht gemeinsam ist.
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Da die Sekundärenergie nur aus der Primärwicklung kommen kann, nimmt
diese folgenden Strom auf:
Da der Widerstand r des Rotors sehr klein ist, wird der Rotorstrom sehr groß und
der Statorstrom ebenfalls- da
Da die Felder durch die Ströme erzeugt werden, sind die sinusförmigen Rotor- und
Statorfelder ebenfalls sehr kräftig. Das gleiche gilt von den in den magnetischen
Massen induzierten Wirbelströmen, welche zur Folge haben, daß der Rotor bei der
Unterspannungsetzung der Statorwindungen vibriert, wenn er stillsteht, wobei das
charakteristische Geräusch eines nicht angeworfenen Einphasenmotors entsteht.
Da
der Rotor mit einem Torsionsstab sehr großer Elastizität gekuppelt ist, beginnt
dieser Stab zu vibrieren und sucht sofort seine Eigenfrequenz anzunehmen, wobei
seine Torsionswinkelamplitude schnell ihrem größten stabilen Wert zustrebt. Da der
Rotor und das Gestell des Hackers starr mit dem vibrierenden Ende des Torsionsstabes
gekuppelt sind, treibt dieser diese mit der gleichen Frequenz und mit der gleichen
Winkelamplitude an. Man erhält also eine erzwungene ungedämpfte Schwingung.
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Während der sehr kurzen Anlaßperiode nimmt der von dem Motor aufgenommene
Strom schnell ab, um sich anschließend auf eine sehr schwache Stromstärke zu stabilisieren,
da der Motor dann nur zur Aufrechterhaltung der Schwingungen des Torsionsstabes
dient. Der Motor hat dann nämlich nur noch die in dem Torsionsstab durch die molekularen
Reibungen verlorene Energie, die Hystereseverluste und die Wirbelstromverluste in
den magnetischen Massen, die Kupferverluste und die passiven Widerstände in den
Lagern sowie die Reibungen des Gestells des Hackers in der Luft und die Trägheit
der angetriebenen Massen auszugleichen.
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Wie in F i g. 5 dargestellt, erfolgt der Beginn dieses Selbstanlaufs
folgendermaßen: Es ist angenommen, daß die Achse 0-Y der statischen Gleichgewichtsstellung
entspricht und daß die erste von den Anlaßvibrationen des nicht angeworfenen Rotors
herrührende Schwingungshalbwelle des Rotors nach rechts mit einer sehr geringen
Winkelamplitude erfolgt, wobei das freie Ende des Torsionsstabes und das Gestell
des Hackers ebenfalls verdreht werden. Während dieser Schwingung hat nun der Torsionsstab
eine gewisse Energie aufgespeichert, von welcher er an die Anordnung bei der nächsten
Halbwelle in entgegengesetzter Richtung einen Teil (oc-E) wieder abgibt (wobei E
der Winkelamplitudenverlust ist, welcher den Energieverlusten infolge der molekularen
Reibungen in dem Torsionsstab entspricht). Da das Moment der Vibrationen des Motors
während des Anlassens von einer Halbwelle zur nächsten fast konstant ist, würde
der Rotor von sich aus bei der nächsten Halbwelle eine Bewegung nach links mit einem
Winkelwert x ausführen, welcher zu dem hinzutritt, welchen der Torsionsstab ergibt,
nämlich (a-e), was insgesamt für die nach links gerichtete Halbwelle eine Verdrehung
von a (motorisch) + (a -s) (von dem Torsionsstab aus der vorhergehenden Halbwelle
wieder abgegebene Energie), d. h. eine halbe Amplitude von (2a-£) ergibt.
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Da der Torsionsstab bei der nächsten nach rechts gerichteten Halbwelle
wieder seine neue aufgenomene um s verminderte Energie abgibt, ist diese Halbwelle
von neuem um die halbe Amplitude vergrößert, welche von dem Rotor selbst erzeugt
werden kann, so daß man für diese neue nach rechts gerichtete Halbwelle erhält:
2a-e-8+a, das heißt 3a-2s. Diese Erscheinung verstärkt sich, bis sich die Amplitude
beliebig lange entsprechend den Kenngrößen der vibrierenden Anordnung (Antriebsmoment-Torsionsstab
und Hackergestell) stabilisiert.
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Die der Summe der s entsprechende Arbeit ist die, welche von den molekularen
Verlusten in dem Torsionsstab und den anderen obigen Energien herrührt. Die von
dem Motor aufgenommene Gesamtenergie, d. h. die zur Aufrechterhaltung der Schwingungen
des Systems erforderliche Energie, ist daher gering.
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Da in einem bestimmten schwingenden System die Amplitude zu dem Antriebsmoment
proportional und zu der Trägheit der angetriebenen Massen umgekehrt proportional
ist, kann die Amplitude leicht durch Veränderung wenigstens eines dieser Faktoren
eingestellt werden.
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Ferner ist die Kreisfrequenz c) durch folgende Gleichung gegeben:
in welcher d der Durchmesser des Torsionsstabes, I das Trägheitsmoment der Massen,
1 die Länge des Torsionsstabes und k eine Proportionalitätskonstante des schwingenden
Systems ist, so daß die Frequenz des schwingenden Systems offenbar durch Veränderung
wenigstens eines der Parameter d, I oder 1 verändert werden kann.