DE1538737A1 - Mit einer hin und her gehenden Bewegung arbeitender Elektromotor - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz

Dr. Gertrud Hauser Dipl.-Ing. Gottfried Leiser

Patentanwälte

8009 München - ftuing

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60, den 8. September 1966

Cas -JB»

Maurice BAETHALOIf , 78, Avenue Henri Martin, Paris / Prankreich

Mit einer hin und her gehenden Bewegung arbeitender Elektromotor

Die Erfindung betrifft einen mit einer hin und her gehenden Bewegung arbeitenden Elektromotor, welcher wenigstens einen festen mit einer Feldwicklung versehenen Magnetkreis aufweist und für jeden Magnetkreis einen oder mehrere unabhängige Antriebsmagnetkerne besitzt, welche in dem von dem festen Magnetkreis erzeugten Feld, insbesondere zwischen zv/ei Polen desselben, beweglich sind. Der bewegliche Magnetkern kann ein beliebiges mechanische Leistung verbrauchendes Organ antreiben. Dieser Kern kann insbesondere zur Betätigung der mit einer hin und her gehenden Bewegung arbeiten-BADOR₁₆₁NA₁. «088*4/1003

den Verdichter oder Pumpen mit Kolben oder Membran dienen. Dieser Elektromotor ermöglicht auch die Herstellung von Kuhlverdichtern und Wärmepumpen, von Verdichtern für luft und Gase für mittleren und hohen Druck, von Pumpen für mittleren und hohen Druck, insbesondere mit veränderlicher Förderleistung, z.B. für die Regeltechnik und die Raumtechniken. Er kann auf zahlreichen anderen Gebieten benutzt werden, insbesondere in Rüttelmaschinen, wie mechanische Siebe, Rüttelförderer, Vibrationsrammen, elektrische Hammer, Nietmaschinen, Rüttelmaschinen, z.B. Maschinen für Ermüdungsversuche für die Industrie, Rüttelbänke, industrielle tragbare Werkzeuge, wie mit einer hin und her gehenden Bewegung arbeitende Sägen, Bimsmaschinen, Haushaltgeräte, wie Schläger, elektrische Tranchiermesser, Rasierapparate, Massageapparate, Nähmaschinen usw..

Es ist bereits ein Elektromotor, insbesondere

eine mit einer hin und her gehenden Bewegung arbeitende Elektropumpe, bekannt, welcher eine an den Wechselstrom angeschlossene Motorwicklung und einen einen Kolben bildenden Kern aufweist. Eine der Stromhalbwellen bewirkt die Verschiebung des Kolbens in einer Richtung, und während der anderen durch einen Gleichrichter unterdrückten Halbwelle wird der Kolben durch elastische Rückholorgane in seine Anfangsstellung zurückgeführt.

Eine derartige Vorrichtung kann keinen bedeutenden Hub und keine hohe Einheitsieistung erreichen, da die auf den Kern ausgeübte Magnetkraft bei einer Zunahme der leistung schnell in Bezug auf die Masse der beweglichen Anordnung zu schwach wird. Der Wirkungsgrad ist infolge der bedeutenden Streuflüsse gering. Ferner ändert sich die auf den Kern ausgeübte elektromagnetische Kraft langsam in Funktion des Hubes

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und wird insbesondere am Hubende nicht null. Man kann daher praktisch den Hub mit einer genügenden Genauigkeit nicht durch Beeinflussung der elektrischen Impulse regeln, sondern es muss ein Anschlag vorgesehen werden, welcher regelbar sein muss, wenn die Pörderleistung verändert werden soll. Die Steuerung dieses Anschlags erfordert eine äussere Vorrichtung, was den mechanischen Aufbau der Maschine verwickelter macht.

Es ist ferner eine elektropneumatische Maschine mit veränderlichem magnetischem Widerstand bekannt, welche einen elektromagnetischen Kreis enthält, zwischen dessen Polschuhen ein mit einem Kolben verbundener Kern beweglich ist. Dieser Kern besitzt eine Anordnung von Zähnen, und der Magnetkreis weist eine Anordnung von Schenkeln auf, deren Zahl grosser als die Zahl der Polschuhpaare ist.

Eine derartige Maschine kann jedoch praktsch

nur als Wechselstromgenerator arbeiten, wobei der Kolben durch die Entspannung des Antriebsmittel angetrieben wird, so dass ein Freiflugkolbengenerator entsteht. Ferner findet ein •Energieaustausch zwischen den gemeinsamen Schenkeln statt, was Verluste mitsichbringt.

Der erfindungsgemäi-se nit einer hin und her gehenden Bewegung arbeitende Elektromotor soll insbesondere den obigen Nachteilen und Einschränkungen bei seiner Anwendung auf das Gebiet der Elektropumpen abhelfen. Er gestattet ferner, seine Anwendungsmöglichkeiten auf ein weites Gebiet von Antriebsmaschinen auszudehnen, wobei seine baulichen Kerkmale bemerkenswerte dynamische Eigenschaften zur Folge haben.

Dieser Elektromotor weist die Bauart auf,

welche wenigstens einen nit einer Feldwicklung versehenen festen

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elektromagnetischen Kreis mit getrennten Polen und Magnetkerne aufweist, deren Zahl höchstens gleich der Zahl der luftspalte der Magnetkreise ist, wobei jeder Kern eine hin und her gehende Bewegung mit veränderlichem Hub in dem durch den Magnetkreis zwischen seinen Polen erzeugten Magnetfeld ausführen kann und fest mit einer beweglichen Anordnung verbunden ist, welche eine Antriebsleistung mit einer hin und her gehenden Bewegung liefern kann. Dieser Elektromotor ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftlinien des Magnetflusses in dem die Pole trennenden Luftspalt quer in Bezug auf die Bahn des Antriebskerns gerichtet sind, dass die Feldwicklung mit einer Speisestromquelle verbunden ist, welche eine Folge von nur in einer Richtung verlaufenden Impulsen liefert, dass der Speisekreis wenigstens ein Ventil enthält, welches die Umkehr der Richtung des elektrischen Stroms in der Feldwicklung verhindert, und dass der Antriebsmagnetkern s der Einwirkung einer ausserhalb des Magnetkreises liegenden Rückholvorrichtung unterworfen ist. In den obigen Ausführungen ist das Wort "Ventil" } in seinem allgemeinsten Sinn aufzufassen, und umfasst jedes System, welches in dem Speisestromkreis den Strom nur in einer einzigen Richtung f Hessen lässt, mit Ausnahme natürlich des bekannten Unterbrechungsrückstroms, dessen Dauer Mikrosekunden beträgt.

Derartige Ventile können durch Dioden, gasgefüllte Röhren, Trockengleichrichter oder Halbleitergleichrichter oder andere gleichwertige Mittel gebildet werden, welche alle zeitlich genau und praktisch augenblicklich arbeiten und die Aussendung von Impulsen gestatten, welche eine genaue und

gleichmässige Viellenform haben. ■ " '

909 8 L L, I \ 00 3 '"■ . .-."BADOWeiNÄL.

G-emäs-s einem bevorzugten Kennzeichen der Erfindung sind die elektromagnetischen Kenngrössen der Maschine einerseits und die Kenngrb'ssen der zugehörigen "Fed er elemente" genannten elastischen Elemente, welche eine elastische Kraft während des elektromagnetischen Arbeitshubes ausüben, andererseits, konstruktionsgemäss so ausgebildet, dass der Mittelwert der auf den Magnetkern während des Arbeitshubes ausgeübten elektromagnetischen Antriebskraft PM ein Mehrfaches des Mittelwerts FR der Resultierenden beträgt, welche die gleiche Richtung hat und den von allen auf die bewegliche Anordnung wirken! en Federelementen während des gleichen Hubes ausgeübten elastischen Kräften entspricht. FM kann vorzugsweise das 2 bis 20-fache vonFR betragen.

Diese Eigentümlichkeit hat bei derartigen Maschinen zur Folge, dass die Bewegung der beweglichen Anordnung im wesentlichen durch den elektrischen Impuls und nicht durch die Federenergie bestimmt wird,· wie dies bei einer der entgegengesetzten Bedingung entsprechenden Maschine der Fall wäre. Ferner ist es der elektrische Impuls, welcher in Funktion der widerstehenden Kraft den Hub der beweglichen Anordnung bestimmt.

Die Erzeugung eines eindeutig begrenzten,

zu der Gleitwachse des Antriebskerns senkrechten Magnetfeldes und die Ventile, welche zusammen mit dem elektrischen Speisesystem genau den Augenblick festlegen, in welchem der elektrische Impuls auftritt, gestatten, die Ausfuhrung so zu treffen, dass sich die auf den Kern ausgeübte elektromagnetische Anziehung an den Hubenden plötzlich ändert. Diese Einrichtungen, ermöglichen die Erfüllung der obigen Bedingung: FM>FR .

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Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von sehr leichten Antriebsmaschinen, welche sehr stabil arbeiten, keinen überstrom beim Anlassen erfordern, und selbst bei Vollast sofort anlaufen. Ferner kann der Hub der beweglichen Anordnung fast augenblicklich zwischen 0 und 100 fe verändert werden, und das gleiche gilt für die widerstehende Kraft oder für die Förderleistung oder für den Förderdruck des Druckmittels, wenn der Elektromotor als Pumpe oder als Verdichter benutzt wird.

In der Praxis können die Kenngrössen der

Maschine so ausgebildet werden, dass FM etwa das 2 bis 20-fache von FR beträgt, so dass die Bewegung durch die elektromagnetische Kraft gesteuert wird.

Gemäss einem weiteren, vorzugsweise mit dem vorhergehenden Kennzeichen kombinierten Kennzeichen der Erfindung ist noch vorgesehen, die bewegliche Masse, die Reibungen und die elaatischen Kräfte so einzustellen, dass die Phase der Bewegung der beweglichen Anordnung gegen die Stromstärke verzögert ist, wobei jedoch diese Verzögerung gering ist, da der grösste Wirkungsgrad der Energieübertragung von dem elektrischen Teil auf den mechanischen Teil erzielt wird, wenn die mechanische Bewegung und die Stromstärke in Phase sind. Diese Maßnahme gewährleistet einen günstigen Kompromiss zwischen dem Wirkungsgrad und einem stabilen Betrieb.

Unter diesen Bedingungen ist vorgesehen, dass

die Eigenfrequenz der den gesamten angreifenden Kräften, nämlich den elektromagnetischen, pneumatischen, mechanischen Kräften, unterworfenen beweglichen Anordnung konstruktionsgemäss so gewählt wird, dass sie unter allen vorgesehenen Betriebsbedingungen etwas kleiner als die Frequenz der von der Speisequelle

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kommenden Impulse ist·

Insbesondere bei der Anwendung auf Pumpen und

Verdichter muss die Eigenfrequenz bei dem höchsten Förderdruck' kleiner als die Frequenz der Impulse sein.

-Diese Bedingung kann insbesondere dadurch erfüllt werden, dass die Ausbildung so getroffen wird, dass die Vorrichtung zur Rückholung der beweglichen Anordnung im Vergleich zu der Masse dieser Anordnung eine solche Steifigkeit hat, dass sie diese so beschleunigt, dass sie an ihren Ausgangspunkt während einer Zeit zurückkehrt, welche etwas grosser als die Halbperiode der Antriebsimpulse ist.

Die beiden obigen Bedingungen, nämlich eine

geringe Federeniergie und eine Eigenfrequenz, welche etwas kleiner als die des Stroms ist, haben praktisch zur Folge, dass der Hub der beweglichen Anordnung niemals übermässig gross wird, was gefährliche mechanische Stösse verhindert. Ferner besteht keine Gefahr, dass sich'das Zeichen der Phase der mechanischen Schwingungen gegenüber den elektrischen Impulsen umkehrt, was den Betrieb der Maschine als Stromerzeuger zur Folge hätte. Obwohl ja die Stromumkehr auf jeden Fall durch die genannten Ventile verhindert wird, ist es für den Wirkungsgrad und die Betriebsstabilität der Maschine besser, durch die betrachteten mechanischen Mittel die Ausbildung eines derartigen labilen Betriebszustands sii vermeiden.

Gemäss einem weiteren bevorzugten Kennzeichen

der Erfindung sind die Polzone des Magnetkreises, der luftspalt, die Wicklungen, der bewegliche Kern und seine Blätterung so ausgeführt, dass die Zunahme des Flusses in Funktion des Eintretens des Kerns in den Luftspalt im statischen Zustand und

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bei konstanter Stärke des Magnetisierungsstroms angenähert linear verläuft.

Diese Bedingung kann auf verschiedene Weise erfüllt werden, insbesondere durch:

- die Herstellung eines Kerns, dessen Permeabilität für jede seiner Stellungen kleiner als die des festen Magnetkreises ist, was dadurch erzielt werden kann, dass dicke Iso-

lierblatter zwischen den Lamellen des Kerns angeordnet werden}

- senkrecht- zu der Achse der Bewegung geblätterte oder genutete Polzonen des festen Magnetkreises j

- die Form des Luftspalts; . ■·

- die Benutzung von beiderseits des Luftspalts

angeordneten Wicklungen - oder auch durch eine Kombination dieser verschiedenen Faktoren und insbesondere durch alle Mittel, welche eine zu schnelle Vergrösserung des den Kern durchsetzenden Flusses bei Beginn des Eintretens desselben in den Luftspalt verhindern, derart, dass die Stromstärke und die mechanische Bewegung praktisch in Phase sind.

Diese Bedingung stellt den besten Wirkungsgrad für die Energieübertragung von dein elektrischen Teil auf den mechanischen Teil her und verbessert die Betriebsstabilität.

"Vorzugsweise ist noch vorgesehen, dass der .

Abstand zwischen einer Fläche des beweglichen Kerns und dem entsprechenden Pol erheblich grosser als die grösste Querverschiebung aus der axialen Stellung ist, welche durch die Teile zur Führung der beweglichen Anordnung zugelassen wird. In der Praxis wird dieser Abstand grosser als das Doppelterer mechanisch möglichen Querverschiebung gewählt. Hierdurch wird vermieden, dass die unsymmetrische magnetische Anziehung,, welche durch die

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Abweichung des Kerns aus seiner axialen lage erzeugt wird, einen hohen Wert erreicht und erhebliche Reibungen erzeugt, welche für die Herstellung einer richtigen Phase zwischen der mechanigehen Bewegung und der Stromstärke und somit für den energetischen Wirkungsgrad sehr schädlich sind.

Der diesen verschiedenen dynamischen und mechanischen Merkmalen entsprechende Elektromotor kann auf verschiedene Weise ausgebildet werden, wie dies aus der nachstehenden Beschreibung hervorgeht, in welcher gleichzeitig andere Besonderheiten der Erfindung erläutert sind.

nachstehend ist angenommen, dass der Elektromotor eine Elektropumpe bildet, was ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung darstellt, ohne dass dies jedoch eine Einschränkung bildet«, Der Ausdruck Elektropumpe ist übrigens hier in seinem allgemeinsten Sinn aufzufassen und umfasst die Saugpumpen und die Druckpumpen sowie die Maschinen zur Verdichtung eines gasförmigen Mittels (Elektroverdichter).

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Pig. 1 ist ein Längsschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung durch die Ebene I-I der Fig. 2 und

Pig. 2 ist ein Längsschnitt längs der Ebene II-II der Pig. 1 . ■ ^x

Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Ebene III-III der Fig. 1 *

Fig. 4 ist ein Schnitt längs der Ebene IV-IV der Fig. 2.

Fig. 5 bis 8 sind Schaltbilder verschiedener möglicher Speieearten der Feldwicklungen.

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Pig. 9 ist ein Längsschnitt einer zweiten mechanischen Ausführung längs"der Ebene IX-IX der Pig. 10.

Pig. 10 ist ein Schnitt längs der Ebene X-X der Pig. 9.

Pig.'11 ist ein Schnitt längs der Ebene XI-XI der Pig. 10.

Pig. 12 ist eine Seitenansicht einer dritten mechanischen Ausführung des Elektromotors.

Pig. 13 ist ein Schnitt längs der Ebene XIII-

XIII der Pig. 12.

Pig. 14 ist ein Schnitt längs der Ebene XIV-

XIV der Pig. 12.

Pig. 15 ist ein Schnitt längs der Ebene XV-XV der Pig. 14.

Pig. 16 und 17 sind Querschnitte des beweglichen Kerns in grossem Maßstab.

Pig» 18 ist ein erläuterndes Schaubild.

Pig. 19 ist eine axial geschnittene Seitenan-) sieht eines erfindungsgemässen Elektroverdichters.

Pig. 20 ist ein Querschnitt längs der Ebene

XX-XX der Pig. 19.

Pig. 21 zeigt eine Einzelheit der Pig. 19.

Die in Pig. 1 bis 4 dargestellte Elektropumpe ist elektrisch und mechanisch einfachwirkend. Sie enthält einen

o festen C-förmigen Magnetkreis 1 mit Recht eckquer schnitt, v/eleher parallel zu der Ebene des C geblättert ist, was seine ^ Starrheit und sein mechanisches Verhalten verbessert. Die Mi to telebene des Magnetkreises 1 geht durch die Achse der Maschine,

to und ihre beiden Polschenkel 2 und 3 sind durch einen parallele-

pipedischen Luftspalt 4 getrennt.

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Die gegenüberliegenden Polflächen des Luftspalts 4 sind mit dünnen Folien 61, 62 aus einem unmagnetischen selbstschmierenden Werkstoff mit geringer elektrischer leitfähigkeit belegt, z.B. Polytetrafluoräthylen, wodurch die Gleitbewegung des weiter unten beschriebenen beweglichen Magnetkerns in diesem Luftspalt erleichtert wird. Die Gesamtdicke der Folien 61, 62 wird vorzugsweise so gewählt, dass sie nicht 1/5 des Gesamtwerts des Luftspalts 4 übersteigt.

Auf den dem Luftspalt 4 abgewandten Schenkel 5 des Magnetkreises 1 ist eine z.B. einphasige Feldwicklung 6 aufgewickelt. Die Wicklung 6 ist mit einer Quelle 7 verbunden, welche nur in einer Richtung verlaufende elektrische Impulse (impulse mit konstantem Zeichen) liefert, und der Speisekreis 8 enthält ein Ventil 9» welches das Fliessen des elektrischen Stroms nur in einem einzigen Sinn gestattet.

' Es sind noch Einrichtungen zur Beeinflussung

der von der Quelle 7 gelieferten Impulse vorgesehen, um die der Wicklung 6 sugeführte elektrische Leistung zu regeln. Diese Einrichtungen können insbesondere die Amplitude, die Dauer oder die Frequenz der Impulse, oder diese verschiedenen Parameter gleichzeitig beeinflussen.

Eine einfache Ausführungsform dieser Einrichtungen ist in Jig. 5 dargestellt. Die Impulsquelle 7 weist eine Gleichstromquelle auf, z.B. einen Akkumulator 63, welcher eine Spannung liefert, welche durch einen Regelwiderstand 64 geregelt werden kann, dessen Schieber mit einer Klemme eines rotierenden Schalters 65 verbunden ist, welcher von einem Motor 66 mit regelbarer Drehzahl angetrieben wird. Die andere Klemme des Schalters 65 ist mit der Wicklung 6 über einen Gleichrichter 67 verbunden,

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z.B. einen Trockengleichrichter, welcher die Vorrichtung 9 eier Fig. 1 bildet.

Der Regelwiderstand 64 ermöglicht offenbar die Regelung der Amplitude der Impulse, während ihre Dauer durch eine entsprechende Einstellung der Ausbildung des rotierenden Schalters 65 und ihre Wiederholungsfrequenz durch Veränderung der Drehzahl des Motors 66 gesteuert wird.

Weiter unten sind andere Ausführungsformen der

. Stufen 7 und 9 beschrieben, welche die vollständige Ausschaltung der mechanischen Schalter bezwecken, deren Lebensdauer infolge der Unterbrechungsfunken begrenzt ist.

An den Polschuhen 2 und 3 ist auf der dem Schenkel 5 abgewandten Seite der aus einem unmagnetischen Werkstoff bestehende Zylinderkopf 11 eines einen Umdrehungskörper bildenden Zylinders 12 befestigt, dessen Achse in der Längssymmetrieebene des Hagnetkreises 1 liegt.

Der Zylinder 12 wird durch einen zweiten Zylinderkopf 13 abgeschlossen, welcher ein Einlassventil 14 und ein * Auslassventil 15 trägt und eine pneumatische Rückholeinrichtung 16 enthält, welche kein Moment auf die bewegliche Anordnung ausübt und durch ein Unterdruckpolster gebildet wird, welches mit einem Ventil 17 zur Abfuhr der Leckströmungen versehen ist.

Die bewegliche Anordnung der Elektropumpe weist einen in dem Luftspalt 4 beweglichen Magnetkern 18 auf, dessen Gleitachse in der Längssymmetrieebene des Magnetkreises 1 liegt. Der Kern 18 ist durch eine Stange 19 niit dem Kolben 21 des Zylinders 12 verbunden. Der Kolben 21 wird z.B. durch einen Hohlkörper gebildet, welcher auf das mit Gewinde versehene Ende 27 der Stange 19 aufgeschoben und durch eine Pestziehmutter 28

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(Fig. 2) befestigt ist» Auf el ie dem TJnterdruckpolster 16 abgewandte Seite des Kolbens 21 wirkt eine Rückholfeder 31, welche die Wirkung des Polsters vervollständigt und in der Ruhestellung den Kern" 18 in eine ausserhalb des Luftspalts 4 liegende Stellung zu bringen sucht.

Der Kern 18 wird durch einen abwechselnden

Stapel von Blechen aus magnetischem Metall 22 und Isolierplatten 22a gebildet, welche auf die Stange 19 aufgeschoben und zwischen einer von dieser Stange getragenen Endplatte 23 und einer Gegenplatte 24 eingespannt sind, welche durch einen auf die Stange 19 aufgeschobenen Federring 25 gehalten wird. Die Abplattung der Bleche 22 wird durch ein zwischen der Platte 23 und der Gegenplatte 24 angeordnetes Abstandstück 26 begrenzt. Der Magnetkern 18 ist so in Bezug auf seine Yerschiebungsachse in der Querrichtung geblättert*

Die so ausgebildete bewegliche Anordnung ist dadurch bemerkenswert, dass ihr Hub nicht festgelegt und auch nicht mechanisch begrenzt ist, so dass er entsprechend den Änderungen der die Speisung der Wicklung 6 durch Impulse kennzeichnenden Parameter in weiten Grenzen schwanken kann.

Ferner ist vorgesehen, den Kern so su bemessen, dass er in jeder Stellung für einen Wert m des Magnetflusses gesättigt ist, welcher kleiner als der der Sättigung des festen Magnetkreises 1 entsprechende Fluss M ist. Das Verhältnis k = m/M kann z.B. je nach der Stalling des Kerns zwischen 0,1 und 0,99 liegen.

Eine derartige Ausbildung verringert die Eisenverluste der Maschine erheblich Und verbessert im statischen Zustand die Linearität der Flussänderung in Funktion des Vor-

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-H-

schubs des Kerns. Wenn nämlich angenommen wird, dass k gleich 0,6 ist, und dass ein Teil des Kerns in statischem Zustand in den luftspalt eingeführt wird, wobei die Stromstärke I durch Speisung der Wicklungen 6 durch eine Hilfsgleichstromquelle konstant gehalten wird, beträgt der durch den Kern gehende Fluss nur 60 fo des Betrages, den er haben würde, wenn die Permeabilität des Kerns gleich der des Magnetkreises wäre (k = 1). Hierdurch werden die Flußschwankungen zu Beginn des Vorschubs begrenzt, und der Relativwert der für den Rest des Hubes verfügbaren FlußSchwankungen wird vergrössert, was gestattet, für einen gegebenen Wert von I eine fast lineare, ■ ■ Änderung des Flusses in Funktion des Vorschubs des Kerns zu erhalten, d.h. eine konstante Kraft an diesem, da ja die An« _;: triebskraft FM gleich dM/dx ist, worin χ die Abszisse des > ,^; Kerns bezeichnet.

Die Antriebskraft FH ist daher im statischen Zustand und infolgedessen im dynamischen Zustand proportional zu I.

Die Berechnung und die Erfahrung zeigen, dass man bei Erfüllung dieser Bedingung für die arbeitende Maschine einen optimalen Wert des Energieubertragungskoeffizienten erhält. ■.■'■■.'■ . ■■■/.. .:. ..-■-■ ,■-■

Ferner ist vorgesehen, dass das restliche

mechanische Spiel _e in der Querrichtung (Fig. 17) zwischen dem Kern 18 und den Reibungsbelägen 61, 62 erheblich kleiner als der Abstand E zwischen dem Kern 18 und ä.en. Polschuhen 2 oder 3 ist. Während des Arbeitens kann daher der Kern 18 nicht erheblich aus einer von den Polen gleichweit entfernten Gleichgewichtsstellung abweichen· Dies gestattet, eine zu den Flusslinien

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parallele Kraft zu verhindern, welche mit der Abweichung sehr schnell zunehmen, den Kern gegen den am nächsten liegenden Pol' drücken und sehr starke Reibungsverluste, erzeugen würde. In der Praxis wird ein Abstand E gewählt, welcher wenigstens das Doppelte der grössten möglichen seitlichen Verschiebung e. des Kerns 18 in der Maschine in neuem Zustand beträgt.

In der Ruhestellung befindet sich der Kolben

21 bei 21a, wobei er dem Federpolster 16 nur ein kleines Restvolumen 16a lässt, und der Kern 18 befindet sich bei 18a, d.h. in einer Stellung, in welcher er zum grossten Teil ausserhalb des Luftspalts 4 liegt.

Bei Erregung der Wicklung 6 durch einen von der Quelle 7 gelieferten, nur in einer Richtung verlaufenden Impuls wird der Kern 18 plötzlich in den Luftspalt 4 gezogen, wobei er den Kolben 21 in dem Sinn F zurückschiebt. Hierdurch wird das Druckmittel in dem Rest des Zylinders 12 verdichtet und durch das Ventil 15 gefördert.

Wenn der Antriebsimpuls aufhört, nimmt die Induktion in dem Luftspalt 4 sehr schnell ab, und das unter Unterdruck stehende Federpolster 16 und die zusammengedrückte Feder 31 schicken den Kolben 21 in der Richtung G zurück,, wobei das Einlassventil 14 geöffnet wird. Am Ende des Hubes wird das Restvolumen 16a des Federpolsters 16 zusammengedrückt und trägt dazu bei, den Kolben 21 in der Richtung F zurückzueahicken. Die in das Federpolster 16 infolge von Undichtigkeiten eingetretene Luft wird durch das Ventil 17 nach aussen ausgetrieben. ;

Wie bereits ausgeführt, werden das Federpolster 16 und die Rückholfeder 31 so bestimmt, dass die von dem Polster

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und der Feder in dem Sinn F während des elektromagnetischen Arbeitshubes entwickelte Nettokraft dem Mittelwert nach erheblich kleiner als die elektromagnetische ebenfalls dem Mittelwert nach betrachtete Antriebskraft.ist. Dies kann dadurch erzielt werden, dass dem Raum 16a nur ein sehr .kleines Volumen gegeben wird. ■

ferner werden die Masse der beweglichen Anordnung sowie die elastischen, pneumatischen und elektromagnetischen Kräfte so bemessen, dass die Eigenschwingungsfrequenz der beweglichen Anordnung unter der Einwirkung der Gesamtheit dieser Kräfte zwischen 50 und 99 £ der Frequenz der elektrischen Impulse liegt.

Ebenso ist die in der Richtung G von dem Federpolster 16 und der Feder 31 am Ende des Arbeitehubes entwickelte elastische Rückholkraft im Verhältnis zu der Mar.se" der bewegli-

so

chen Anordnung/klein (anders ausgedrückt, die Eigenfrequenz dieser beweglichen Anordnung ist so niedrig), dass die bewegliche Anordnung in ihre Anfangsstellung 18a, 21a sofort nach dem_: ) Auftreten des nächsten Antriebsimpulses zurückkehrt.

Durch Beeinflussung der Kenngrössen des Antriebsimpulses (Amplitude, Dauer, Frequenz) und in einfacher Weise durch die alleinige Beeinflussung der Amplitude mittels des Regelwiderstands 64 (Fig. 5) kann man die Regelung der Leistung und der Fördermenge vornehmen. Bei einer gegebenen elektrischen Speisung findet eine automatische Anpassung des Hubes der beweglichen Anordnung an die Belastung statt.

.:.-. Die so ausgeführte Elektropumpe besitzt wesentliche technische Vorteile. Sie ist sehr leicht und besitzt eine hohe Ilassenleistung. Sie erfordert beim Anlaufen weder einen

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tJberstrom noch eine komplizierte elektrische Vorrichtung und läuft unter Vollast sofort an, Ihre Förderleistung oder ihr Förderdruck können sich augenblicklich zwischen 0 und 100 ^c,l verändern. Die Bewegung der beweglichen Anordnung wird genau gesteuert. Sie ist stabil, und der Hub passt sich sofort der widerstehenden Kraft an. Es ist daher keine besondere pneumatische Anlassvorrichtung erforderlieh. Da das Polster 16 rein statisch ist, ist die Zahl der bewegten Teile sehr gering, was fur eine lange Lebensdauer günstig ist.

In dem Fall einer Elektropumpe mit mittlerer

oder hoher Einheitsleistung vermeidet die Rückholung des Kolbens 21 durch das Polster 16 die von Metallfedern grosser Abmessungen herrührenden mechanischen Schwierigkeiten.

Infolge der Ausbildung des Magnetkreises ist die seitliche Ausdehnung sehr gering (Fig. 2). Ferner ist der Kolben 21 ein vollständiger ümdrehungskörper und ist nicht der seitlichen Druckkraft einer Pleuelstange ausgesetzt, so dass das Verhalten des Kolbens in dem Zylinder sehr gut ist.

Der Rahmen der Erfindung wird nicht verlassen, wenn der elektromagnetische Kreis durch zwei Luftspalte anstatt eines einzigen unterbrochen wird, wobei jeder Luftspalt einen unabhängigen Kern in entgegengesetztem Sinn anzieht,.so dass die beiden Kerne symmetrische gegenläufige Bewegungen ausführen, was die Herstellung einer erschütterungsfreien Maschine ermöglicht.

In der Praxis können noch zahlreiche andere Mittel als die der Fig. 5 vorgesehen werden, um die Speisung der Wicklung 6 durch Impulse regelbarer Spannung> Dauer oder Frequenz zu bewirken. Es ist insbesondere zweckmässig, Thyratrons oder !Thyristoren zu benutzen, welche entweder mit Gleichstrom

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oder mit einphasigem oder mehrphasigem Wechselstrom gemäss einer der sahireichen an sich bekannten Schaltungen gespeist werden können.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel zur Regelung der

die Wicklung 6 speisenden Impulse unter Benutzung von zwei, zusammenwirkenden Thyratrons 71, 72j welche als Wechselrichter geschaltet sind und durch eine Gleichstromquelle 73 oder eine gleichgerichtete Spannung gespeist werden, und deren Gitter Steuerimpulse zur Zündung und Löschung aus einem Oszillator 74 veränderlicher Frequenz über einen Transformator 75 empfangen.

Im Falle einer Speisung mit Wechselstrom kann

insbesondere eine Steuerung durch veränderliche Phasenverschiebung zwischen der Gitterspannung und der Anodenspannung Vjorge-. sehen werden. Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer Schaltung von: .-".' vielen möglichen. Das Gitter des Thyratrons 76 wird durch einen Phasenschieberkreis mit regelbarem Phasenwinkel (veränderlicher Widerstand 77, Kapazität 78) aus der Sekundärwicklung 79 eines Transformators gespeist, dessen Primärwicklung 81 mit der Wech- f selspannung gespeist wird, während die andere Säcundärwicklung 82 den Anodenkreis des Thyratrons 76 speist.

Die Wicklung .6 kann auch aus einem Drehstromnetz 83 (Fig. 8) über einen Transformator in Dreieck-Sternschaltung 84-85 und drei Thyratrons 86 gespeist werden, deren Gitter, durch eine Vorrichtung 87 bekannter Bauart gesteuert werden, welche die Regelung der der Wicklung .6 gelieferten Impulse aus gleichgerichtetem Strom gestattet« In diesen verschiedenen Schaltungen erfüllen das Thyratrons oder die Thyristoren gleichzeitig die Aufgabe der Stromquelle 7 und des Ventils 9.

Die obigen Ausführungen sind nur beispielshal-

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bei· angegeben. Es sind natürlich zahlreiche andere Ausführungsformen der Stufen 7 und 9 möglich, insbesondere bei Benutzung von Schaltungen mit Halbleitern und/oder Transistoren.

Der in Fig. 9 bis 11 dargestellte Elektroverdichter ist ebenfalls elektrisch und mechanisch einfachwirkend, die mechanische Antriebsarbeit wird jedoch während des Rückgangs der beweglichen Anordnung geleistet, indem die Gesamtheit der elektromagnetischen Energie zunächst in einem elastischen Rückholglied gespeichert wird (mechanische Feder in dem beschriebenen Beispiel) .

Der Hagnetkreis wird hier durch ein doppeltes C gebildet; dessen gemeinsame Schenkel die Polschuhe 31, 32 bilden, welche durch einen Luftspalt 33 mit parallelepipedischem Volumengetrennt sind.

Die Polschuhe 31, 32 werden durch zwei seitliehe gegenüberliegende Säulen 34 vereinigt, welche die Feldwicklungen 35 tragen, welche in Bezug auf die Speisequelle parallel {-e- *schaltet sind, welche hier z.B. durch die Hinzufügung einer Diode 7b zu einer Wechselstromquelle 9b_ gebildet wird.

Der geBamte Magnetkreis ist hier senkrecht zu der !anwachse der Maschine und ihres Luftspalts geblättert.

Der Magnetkreis ist starr, wodurch die Annäherung der Pole begrenzt -wird. Die Blätterung des festen Magnetkreises senkrecht zu der Achse der Bewegung konzentriert die Verformung der Flusslinien durch aen Kern am stärksten in d.em Luftspalt, verbessert die Linearität der Zunahme.des Flusses in Funktion der Verschiebung desKerns,.und trägt somit zur Verbesserung der Leistung und des Wirkungsgrades bei.

Eine Verbesserung des Fluss-verlaufs kann da-

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durch erhalten werden, dass die Feldwicklungen an den Polschuhen 31 und 32 angebracht werden, wodurch der Fluss in dem luftspalt geführt und die Streuflüsse verringert werden.

Die Polschuhe 31, 32 enthalten verschiedene in den luftspalt 33 mündende Kühlkanäle 93. ■"" '_

An einer Seite des Magnetkreises ist der unmagnetische Zylinderkopf 41 eines Cylinders 42 befestigt, dessen Achse diesmal senkrecht zu der längssymmetrieebene dieses Magnetkreises liegt. Der Zylinder 42 wird durch einen eine breite öffnung 44 enthaltenden Boden 43 abgeschlossen.

In dem Zylinder 42 ist ein Verdichtungsvolumen

45 vorgesehen, welches mit dem Aussenraum durch Einlassöffnungen

46 und ein oder mehrere Förderventile 47 verbunden ist. Auf der dem Verdichtungsvolumen 45 abgewandten Seite des Kolbens 56 ist eine Feder 92 angeordnet, welche sich an dem Böden 43 abstützt und den Kolben 56 in Richtung auf den Zylinderkopf 41 zurückzudrücken sucht.

Zwischen der Feder 92 und dem Boden 43 ist ein

) gegenüber dem Boden 43 frei drehbarer Anschlag 92a|vorge sehen. Hierdurch wird vermieden, dass die Feder 92 auf die bewegliche Anordnung ein Moment ausübt, welches dem Kern eine schräge Lage geben und die Reibungsflächen zur Führung des Kerns schnell zerstören würde.

Das gleiche Ergebnis kann auch dadurch erzielt werden, dass der Kopf des Kolbens 56 auf der Stange 54 frei drehbar ist.

,Die bewegliche Anordnung weist einen Magnetkern 51 auf, welcher durch einen massiven Körper gebildet wird, in welchem Nuten mit parallelen Achsen ausgearbeitet v/urden, so dass

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eine Reihe von Platten 53 entsteht, welche parallel zu dem lluss und der Achse der Maschine liegen. Die benutzte Blätterung "besitzt insbesondere für grosse Maschinen mit starken Beschleunigungen "den Vorteil, dass diese in der der grössten Starrheit entsprechenden Richtung wirken, so dass die Probleme fortfallen, welche durch die Abplattung der unmagnetischen Zwischenplatten gestellt werden.

Gremäss einer vorteilhaften Ausbildung nimmt

die Dicke der Platten 53 von einem Ende des Kerns 51 zum anderen allmählich zu. Die Platten 53 haben dann ein prismatisches Volumen, wobei der dünnste !eil auf der zuerst in den Luftspalt eintretenden Seite liegt, so dass eine zu schnelle Abnahme des magnetischen Widerstands zu Beginn des Hubes verhindert wird.

■ Die freien Räume 52 zwischen den Platten 53 werden vorzugsweise mit einem unmagnetischen Werkstoff ausgefüllt, z.B. einem Epoxyharz, in welchem nicht dargestellte Kühlkanäle ausgebildet sein können. Der gesamte Kern wird von einem Rahmen 93 umgeben, dessen den Polschuhen 31, 32 gegenüberliegende Seiten mit einem Belag 94 aus einem Werkstoff mit geringem Reibungskoeffizienten, z.B. Polytetrafluorathylen, überzogen sind. Die überstehende Schicht 94 kommt praktisch mit den Polschuhen 31, 32 in Berührung.

Die kleinste Abmessung des Kerns 51 in einer zu dem elektromagnetischen Feld senkrechten Richtung beträgt wenigstens das Doppelte des Wertes des Luftspalts. Hierdurch werden die Streuflüsse verringert, die Zone der magnetisiien Anziehung des Kerns wird gut abgegrenzt, und die Massenleistung wird vergrössert. Aus den gleichen oben erläuterten Gründen ist noch (Pig* 18) vorgesehen, dass das seitliche Spiel e des ..-■■■■- BAD ORIGINAL

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Kerns 51 in dem. Luftspalt 33 konstant ist oM durch, die Dicke der Schicht 94 festgelegt wird·. Es ist kleiner als 1/5 der Werts de» Luftspalts 33. Ferner ist der Luftspalt 1 zwischen dem Kern 51 und den Polschuhen 31_} 32 wenigstens gleich dem Doppelten des Werts _e. "

Der Kern 51 wird durch eine Verbindungsstange 54 verlängertj welche durch den Zylinderkopf 41 tritt, und an deren mit Gewinde versehenes Ende 55 der in dem Zylinder 42 bewegliche hohle Kolben 56 angeschraubt ist»

Die so zwischen dem Kolben 56 und dem Boden zusammengedrückte Feder 92 sowie der tote Saum des Verdichtervolumens 45 sind so berechnet, dass in der Richtung H in der dem Beginn der Erregung der Wicklung 6 entsprechenden Stellung des Kerns 51 eine schwache Kraft ausgeübt wird, und dass die Eigenfrequenz der beweglichen Anordnung in jedem Fall kleiner als die der Erregerimpulse ist. ,

Der Elektroverdichter weist noch ein System zur automatischen Kühlung durch erzwungenen umlauf in den Kanälen 91 auf· Hierfür tragt die Stange 54 einen einen Schieber bildenden Kanal 95? welcher zu Beginn des Verdichtungshubes das Volumen 45 mit dem Luftspalt 33 und somit mit den Kanälen 91 in Verbindung setzt.

Die Arbeitsweise ist folgende: Wenn die Wicklungen 35 erregt v/erden, wird der Kern 51 in den Luftspalt 33 .in der Richtung H angezogen, wodurch die Feder 92 zusammengedrückt wird. Die in dem Verdichtungsvolumen 45 enthaltene Luft wird, auf einen Druck entspannt, welcher kleiner als der Ansaugedruck ist. Es kann daher Aussenluft in das Volumen 45 durch die öffnungen 46 eintreten, sobald diese von dem Kolben 56 freigelegt

werden. 909844/100 3 BAD

Wenn der elektrische Impuls aufhört, schickt

die in der Feder 92 aufgespeicherte elastische Energie die bewegliche -Anordnung in Richtung E zurück.

Die in dem Volumen 45 enthaltene Luft v/ird dann verdichtet und durch das Ventil 47 gefördert. Solange der Kanal 94 eine Verbindung zwischen dem Volumen 45 und dem Luftspalt 35 herstellt, wird ein Teil der Luft in die Kühlkanäle 91 geschickt und bewirkt (bei dem beschriebenen Beispiel) eine erzwungene Kühlung des Magnetkreises der Haschine.

Die Kurve der auf den Kern 51 in Funktion des

Hubes desselben in dem Luftspalt ausgeübten elektromagnetischen Kraft ist besonders interessant für die Betriebsstabilität der Maschine, da die Antriebskraft der Stromstärke während der Dauer eines Impulses folgt, aber schnell mit diesem aufhört.

Auch hier schwingt die bewegliche Anordnung

mit der Frequenz der Antriebsimpulse, und unter sonst gleichen Umständen hängt die Lange des Hubes von der auf die bewegliche Anordnung wirkenden widerstehenden Kraft ab· Die Massenleistung ist höher als in dem ersten Fall, und der für eine gegebene Frequenz mögliche grösste Hub ist grosser.

Die Rückführung durch die Feder 92 ergibt eine einfache Lösung, bei welcher kein Dichtungsproblem auftritt (wie dies bei den Federpolstern der Fall ist) und ist für Kaschinen geringer Leistung geeignet.

Die Eigenfrequenz der beweglichen Anordnung ist verhältnismässig klein, und der geringe Wert der an dem dem Beginn des Arbeitshubes entsprechenden !Totpunkt in der Kaschine aufgespeicherten elastischen Energie hat eine gute Stabilität des zyklischen Betriebes und eine leichtere Ilaschine

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zur Folge, Die Eisenverluste des festen Magnetkreises 31, 32, 34 sind gering, und zwar umso mehr, als die Sättigung dieses Kreises durch Sättigung des Kerns 51 für einen niedrigeren Wert des Flusses vermieden werden kann, wie oben ausgeführt. Die Längenausdehnung der Maschine ist ebenfalls sehr gering.

Eine weitere für die Maschine vorgesehene

und für ihre Betriebsstabilität wichtige dynamische Bedingung ist nachstehend unter Bez_Ug_nahme auf Fig. 18 erläutert, in wel-. eher auf G der Arbeitshub und auf F die Kräfte aufgetragen sind.

Die Kurve D ist die Entspannungskurve der in dem toten Raum des Verdichters bleibenden verdichteten Luft.

Die Kurve R entspricht der Kraft der Rückholfeder 92.

Die Kurve S entspricht' der algebraischen Summe (D + R) der elastischen Kräfte mechanischen und pneumatischen Ursprungs.

Die Gerade PM zeigt den Mittelwert der elektro- f magnetischen Kräfte während des Arbeitshubes.

Unter diesen Bedingungen ist die Maschine, so ausgebildet, dass der Mittelwert FH der Resultierenden der elektromagnetischen Kräfte während des Arbeitshubes erheblich grosser als der Kittelwert FR der Resultierenden ist, welche die gleiche Richtung hat und den elastischen Kräften entspricht, welche von allen federnden auf die bewegliche Anordnung wirkenden Elementen während dieses gleichen Hubes ausgeübt werden.

Der so definierte Mittelwert FR entspricht der positiven Fläche der Kurve S (in Fig. 18 schraffierte Fläche)· Die B_estinnung dieser Fläche gestattet", die Gerade FR zu zeich-

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nen. Es ist z.B. zweckmässig, dass FM das Fünffache von PR beträgt.

Beispielshalber sei angegeben, dass interessante Ergebnisse an einer Versuchsausführung eines Luftverdichters der obigen Art erzielt wurden, welcher folgende Kenngrössen hatte:

- Durchmesser des Zylinders: 23 mm

- Hub : 16 mm

- Dicke des LuftSpalts: 12 mm

- Breite des Luftspalts: 19 mm

- Speiseleistung der Wicklungen : 100W

- Förderdruck : 8 kg/cm

- Masse der beweglichen Anordnung: 280 g

- Biegsamkeit der Feder : 4,5 kg/cm

- anfängliche Zusammendrückung der Feder : 12 mm

- ungeblätterter Magnetkern aus Perrosilizium oder Vicalloy (hohe Sättigungsinduktion und hoher spezifischer Widerstand).

- pulsierende Speisung der Wicklungen mit 50 Hz durch Einschaltung einer Diode in eine Wedi seistromleitung.

Für den obigen Luftverdichter wurden folgende Versuchswerte erhalten;

■- Mittelwert der elektromagnetischen Kraft FM = 12 kg

- Mittelwert der Resultierenden der in dem gleichen Sinn wirkenden elastischen Kräfte FR = 0,8 kg.

Der Rahmen der Erfindung wird nicht verlassen, wenn in der zweiten Ausführung der Zylinderkopf 43 durch den

Zylinderkopf 13 der ersten Ausführung ersetzt wird. Man erhält BAD ORiQlNAL

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dann eine doppelt wirkende Maschine, welche teilweise beim Hingang und teilweise beim Rückgang arbeitet. Ggfs. kann der Rückgang nur zur Erzeugung der Spülluft für die Kühlung der Magnetkreise dienen.

Der in Pig.· 12 bis 15 dargestellte Elektromotor arbeitet ebenfalls während des Rückgangs, der Verdichterzylinder ist jedoch hier an dem nicht unterbrochenen Schenkel des 0 befestigt, was gestattet, die Feldwicklungen beiderseits des Luft spalts mit den bereits erwähnten Vorteilen anzubringen und ein " in dem luftspalt zentriertes Abstandsstück zu benutzen, welches den Luftspalt konstant hält und die Führungen des Kerns hält, wobei diese Ausbildung gestattet, mit einem sehr geringen'Spiel und somit mit einem guten Wirkungsgrad zu arbeiten. ·:.{-.

Dieser Elektromotor besitzt einen festen Magnetkreis 96, dessen beide Polschuhe 97 und 98 einen Luftspalt 99 abgrenzen. Die Polschuhe 97 und 98 werdenvon Wicklungen'100 und 101 umgeben, deren Enden z.B. in, einer Entfernung von weniger als 0,5 mm von den Seiten des Iiuftspalts liegen. Die Wickk lungen sind parallel an eine nicht dargestellte Speisequelle angeschlossen, Vielehe hier durch einfache Einschaltung einer Diode in eine Wechselstromquelle hergestellt ist, wodurch jede zweite Halbzelle unterdrückt wird. Der gesamte feste Magnetkreis ist senkrecht zu der Bewegungsachse des Kerns geblättert.

An der dem Luftspalt abgewandten Seite des. Magnetkreises 96 ist mit Hilfe von unmagnetischen Schrauben 102 und Flanschen 103 der unmagnetische Verdichterzylinder 104 befestigt, welcher durch einen nicht dargestellten Zylinderkopf abgeschlossen ist, welcher dem in Fig. 1 dargestellten entspricht· In dem Zylinder 104 gleitet ein Verdichterkolben 105,

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dessen Arbeitsfläche 106 dem Elektromotor abgewandt ist. Auf der anderen Seite 107 des Kolbens 104 stützt sich, eine Feder 108 ab, deren anderes Ende sich an dem Boden 109 des Zylinders 104 abstützt, und welche den Kolben 105 zurückzudrücken sucht. Der Kolben ist mittels einer Stange 110 an dem massiven Magnetkern 111 befestigt, welcher bei der oben beschriebenen Versuchsmaschine die besten Ergebnisse geliefert hat. Der Kern 111 besitzt Bohrungen 112, mittels welcher er an Stangen 113 geführt wird, welche mit einem die Reibung vermindernden Stoff nach Art ä des Polytetrafluorathylens überzogen sind. Die Stangen 113 sind einerseits in in dem Basisbund des Zylinders 104 ausgebildeten Bohrungen 114 und andererseits in dem unmagnetischen Abstandsstück 115 zentriert, welches seinerseits in Bezug auf den luftspalt 99 durch die Nuten 116 zentriert ist. Die gegenseitige magnetische Anziehungskraft der Pole wird so von dem Abstandsstück 115 aufgenommen, welches hierbei einer Druckbeanspruchung unterliegt.

Die Arbeitsweise ist folgende: Wenn die Y/iek-

lungen 100 und 101 erregt werden, wird der Kern 111 in der Rieh- " tung L in den luftspalt 99 gezogen, wodurch die Feder 108 zusammengedrückt wird. Die in dem V_erdichtungsvolumen 117 enthaltene Luft wird auf einen Druck entspannt, welcher kleiner als der Speisedruck ist. Hierdurch kann Aussenluft in das Volumen 117 über die nicht dargestellten Saugventile eintreten. Wenn der elektrische Impuls aufhört, schickt die in der Feder108 aufgespeicherte elastische Energie die bewegliche Anordnung in der Richtung II zurück. Die in dem Volumen 117 enthaltene Luft wird dann verdichtet, und hierauf über das nicht darge-.flit. 5^ ^

Beispielshalber sei angegeben, dass interessante Ergebnisse mit einem Versuchsverdichter der obigen Art erhalten wurden, welcher folgende Kenngrössen hatte:

- Durchmesser.des Zylinders 40.mm..

- Hub 20 min.

- Dicke des LuftSpalts 20 mm.

- Speiseleisfcung der* Wicklungen: 500 ¥.

- Förderdruck 5 kg/cm .

- Masse der beweglichen Anordnung: 700 g. Die Kenngrössen der Feder 108 waren u.a. folgende:

- 10 freie Windungen, welche eine Kraft null

, 0

bei der freien Länge von 110 mm und eine Kraft von 50 kg bei einer Zusammendrückung auf 85 mm ausüben.

- Speisung der Wicklungen mit 50 Hz mit einem

durch Unterdrückung jeder sweiten Halbwelle mittels einer Diode gleichgerichteten Strom.

Die Feder 92 schickt die bewegliche Anordnung in etwas mehr als einer hundertstel Sekunde (Dauer einer Halbwelle) in ihre Ausgangsstellung zurück.

Die Ausführung der Fig. 19 und 20 entspricht

einem Elektroluftverdichter geringer Leistung und grosser Verbreitung, welcher Analogien mit der Ausführungsform der Fig. 9 bis 11 aufweist, aber u.a. durch den Aufbau des gleitenden Kerns bemerkenswert ist.

Dieser Verdichter besitzt einen Zylinder 201

mit Rippen 241 aus einer unter Druck gegossenen Leichtlegierung mit einer gusseisernen Laufbuchse 202, welche beim Giessvorgang

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eingesetzt wird· An dem Zylinder 201 ist durch vier Schrauben 242 der mit Rippen versehene Zylinderkopf 203 aus Leichtlegierung befestigt, welcher die Saug- und Druckkanäle 204 bzw. 205, das ringförmige Saugventil 206 (Fig. 21) und seine Feder 207, das in der Mitte angeordnete Druckventil 208, seine Feder 2Ö9 und den Stöpsel 210 enthält·

Der Elektromotor, enthält'den. Magnetkreis 211 aus ausgeschnittenen aufgestapelten und verklebten Blechen, welcher zwei einander gegenüberliegende Polschuhe 243 aufweist, deren Polflächen 244 zylindrisch und zu dem Zylinder 201 gleichachsig sind.

An jedem Polschuh 243 ist eine Feldwicklung

212 angebracht* Die Wicklungen 212 werden in Reihe durch einphasigen Wechselstrom über eine in den Stromkreis eingeschaltete nicht dargestellte Diode gespeist.

Die bewegliche Anordnung 245 besitzt einen gusseisernen Kolben 213, welcher durch ein unmagnetisches Zwischenstück 214 von dem zylindrischen Kern 215 getrennt wird, welcher den gleichen Durchmesser wie der Kolben 213 hat und aus aufgestapelten, voneinander isolierten Blechen besteht*

An dem Kern 215 stützt sich eine Feder 218

über eine unmagnetische Sohle 216 ab. Das andere Ende der Feder 218 stützt sich über eine Isolierscheibe 219 an dem Boden des Gehäuses 220 ab.

Der Zusammenbau der Teile 213, 214, 215 und erfolgt durch ein in den Kolben 213 geschraubtes Rohr 217.

Bei dieser Ausführung lässt der zylindrische Kern 215 eine freie Drehung der beweglichen Anordnung 245 zu.

Das untere mit Rippen versehene,. Gehäuse 220 aus

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gegossener Leichtlegierung und das obere den Zylinder 201 verlängernde Gehäuse 246 spannen*den Magnetkreis 211 ein, und die Befestigung erfolgt durch Kleben und durch vier isolierte Schrauben 221 (Pig. 20). Die Aufstellung des Verdichters erfolgt durch vier elastische Füsse 222 mit sehr geringer Steifigkeit in Richtung der Achse des Verdichters.

Die leder 218 drückt die bewegliche Anordnung in Richtung auf den Scheitel des Zylinders 201 zurück, wahrend der Kern 215 zwischen die Polschuhe 243 zu treten sucht.

Der Verdichter wird durch ein ölbad geschmiert, dessen Spiegel angenähert die Linie 223 erreicht.

. Während des Arbeitsns schleudert die schnelle Bewegung der Windungen der Feder 2¹T S. in'dem öl öl in das Gehäuse, welches die Gesamtanordnung kühlt und schmiert. -Nuten 251 an dem Kolben 213 fangen die ölspritzer auf, um den Eaufmantel 202 zu schmieren. Eine Nut 252 und ein Kanal 253 verhindern, dass die Luftleckströmiingen längs der Bohrung das öl austreiben. Der Kanal 253 stakt mit dem Gehäuse 220, 246 in Verbindung und hält in diesem einen Druck aufrecht, welcher angenähert dem angegebenen mittleren Druck des Verdichters gleichwertig ist. Hierdurch wird ein LuftSpeicherpolster sehr geringer Steifigkeit hergestellt, dessen Wirkung zu der Wirkung der Feder 218 hinzutritt. Die Grosse der LeckstrSmung wird durch den Abstand zwischen dem Kopf des Kolbens 213 und der Füt 252 sowie durch den Durchmesser des Kanals 253 bestimmt. Das mechanische Spiel/trägt grossenordnungsmässig ein. Hundertstel Millimeter, wahrend der Abstand des Kerns von den Magnetpolen, des Luftspalts grössenordnunssmässig ein Zehntel Millimeter beträgt, wodurch jede Möglichkeit einer auf den Kern wirkenden

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von seiner exzentrischen lage herrührenden seitlichen Kraft unterdrückt wird.

Beispielshalber sind nachstehend die Kenngrössen eines derartigen Verdichters angegeben:

Bohrung : 23 mm

Hub : 16 mm

Durchmesser des Kerns: 23 mm

Hohe des luftspalts : 19 mm

Masse der beweglichen Anordnung: 300 g

mittlere Kraft der Feder : 9 kg

Förderdruck : 9 kg/cm

Fördermenge: 6 l/mn ■

Leistung: 90 W

arbeitet mit Wechselstrom von 50 Hz.

Die Tatsacheι dass in der betrachteten Ausführung der Kirn 215 den gleichen Durchmesser wie der Kolben 213 hat, ermöglicht, eine schnelle leichte Bearbeitung nit grosser Genauigkeit vorzunehmen. Da die bewegliche Anordnung un ihre Achse vollkommen frei drehbar ist, sind die Abnutzungen der beweglichen Teile sehr gering.

Gemass einer anderen Aus führungsabwandlung kann der Elektromotor einen einsigen Magnetkern aufweisen, welcher zwischen den Luftspalten von zwei induzier/enden Hagnetkreisen scliwinct, welche voneinander unabhängig sind, aber mit elektrischen Impulsen in Gegenphase gespeist werden, welche z.B. aus einer Wechselstromquelle dadurch erhalten werden, dass die Wicklungen der beiden Magnetkreise durch Dioden in ^ntiparallelschalirung gespeist werden, so da^s sie im Gegentakt arbeiten.

Der Kern kann dann senkrecht zu der Achse der Bewegung geblättert BAD OBiGlHAL

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sein, was den Austausch der Magnetflüsse zwischen den beiden Magnetkreisen und die entsprechenden Verluste verringert.

Eine derartige Ausführung ist von dem Anmelder in der as 8. Harz 1966 mit dem. Titel: "Mit einer hin und her gehenden Bewegung arbeitende, elektromagnetisch betriebene Antriebsmaschine" eingereichten Patentanmeldung Nr. B 86.105 ¥IIXb/21d¹ beschrieben. '

Die Erfindung 1st übrigens auch auf andere

in der erwähnten Patentanmeldung definierte Maschinen anwendbar, insbesondere auf den Elektromotor, welcher gleichzeitig zwei statische Magnetkreise und zwei der gleichen beweglichen Anordnung angehörende schwingende Magnetkerne aufweist, wobei die' getrennten Wicklungen der beiden induzierenden Magnetkreise mit Impulsen in Gegenphase gespeist werden.

Bei einem derartigen Elektromotor ist der magnetische Widerstand des einen Magnetkreises am grb'ssten, wenn der des anderen am kleinsten ist.

In diesen beiden Fällen können die Magnetkreise diorch ein gemeinsames Joch verbunden v/erden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Diese baulich etwas billigere Ausfuhrungsabvrgndlung ist jedoch infolge der von dem Energieaustauseii zwischen den beiden Kagnetkreisen über den gemeinsamen Schenkel herrührenden Verluste weniger interessant.

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Claims (40)

Patentansprüche

1.) Elektromotor mit wenigstens einem festen

elektromagnetischen Kreis mit getrennten Polen mit einer Feldwicklung und mit Magnetkernen, deren Zahl höchstens gleich der Zahl.-der Luftspalte der festen Magnetkreise ist, wobei jeder Kern eine hin und her gehende Bewegung mit veränderlichem Hub in dem von dem festen Magnetkreis zwischen seinen Polen erzeugten Magnetfeld ausführen kann und fest mit einer beweglichen Ano-rd-* nung verbunden ist, welche eine hin und her gehende Arbeitsleistung liefern kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftlinien des Magnetflusses in dem die Pole (2,3) trennenden luftspalt (4) quer zu der Bahn des Antriebskerns (18) verlaufen, "dass die Feldwicklung (6) mit einer elektrischen Speisequelle (7) verbunden ist, welche eine Folge von nur in einer Richtung verlaufenden Impulsen liefert, davs der Speisekreis (S) -wenigstens ein Ventil (9) enthalt, welches die Umkehr des elektrischen Stroms in der Feldwicklung (6) verhindert, und daas der Antriebsmagnetkern 08) -unter der Wirkung einer ausserhalb des Magnetkreises (1) liegenden: Rückholvorriehtung (16) steht.

2.) Elektromotor nach Anspruch.1, dadurch gekennzeichnet, dass seine elektromagnetischen Kenngrös.sen und die Kenngrössen der zugehörigen, während des elektromagnetischen Arbeitshubes eine elastische Kraft ausübenden elastischen Elemente'.(1 6-) konstruktionsgemäss so ausgebildet sind, dass der Mittelwert der auf den Magnetkern (18) während des Arbeitshubes ausgeübten elektromagnetischen Kraft ein Mehrfaches des Mittelwerts der Resultierenden (FR) beträgt, welche die gleiche Richtung hat und den von allen auf die bewegliche Anordnung während

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des gleichen Hubes wirkenden Federelementen ausgeübten elastischen Kräften entspricht.

3.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz der der Gesamtheit der angreifenden Kräfte unterworfenen beweglichen Anordnung (18, 21) etwas kleiner als die Frequenz der von der Speisequelle (7) kommenden Impulse ist, -

4.) Elektromotor nach Anspruch 1,"dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme (dM) des durch die Polfläche tretenden Flusses eine etwa lineare Funktion des Eintretens des Kerns (18) in den Luftspalt in statischem Zustand und bei konstant gehaltener Stromstärke ist.

5.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (2, 3) des festen Magnetkreises (1) quer zu der Yerschiebungsachse des Antriebsiaagnetkerns (18) geblättert oder genutet sind.

6o) Elektromotor nach Anspruch 1-," dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskern (18) für einen liert des Flusses gesättigt ist, v/elcher kleiner als der der Sättigung des festen Magnetkreises (T) entsprechende Wert ist.

7.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldwicklungen (35) beiderseits des Luftspalts liegen.

8.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte magnetische Restspiel (2E) zwischen den Polschuhen (2, 3) und dem zwischen diesen befindlichen Kern (18) bei beliebiger Stellung des Kerns (18) kleiner als etwa 1/5 des Werts des gesamten Luftspalts (4) zwischen den Polen (2, 3) ist.

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9.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskern (18) parallel zu dem Fluss und der Bewegungsachse geblättert ist.

10.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (7) der nur in einer Richtung verlaufenden Impulse wenigstens ein Thyratron (71) oder einen Thyristor enthält, welche durch einen Generator (74) zur Erzeugung periodischer Impulse gesteuert v/erden.

11.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulse aus einem Wechselstrom durch Einschaltung eines Gleichrichters (7b) erhalten werden, welcher die Halbvollen gleichen Zeichens unterdrückt.

12.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Magnetkreis (1) nur einen einzigen Luftspalt (4) aufweist, und dass die bewegliche Anordnung nur einen einzigen Magnetkern (Iß) besitzt.

13.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3s die bewegliche Anordnung die Antriebsleistung wahrend des Arbeitshubes liefert, welcher der Anziehung des Magnetkerns (18) durch den induzierenden Ilajnetkreis (1) entspricht, während die Rücklioleinriehtunr; (31) nur dazu dient, die bewegliche Anordnung in ihre Ausgangsstellung außerhalb des Luftspalts zurückzuführen.

14.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch :;ekennseiehnet, dass der Arbeitshub der beweglichen Anordnung dem Rückgang entspricht, d.h. der Wirkung der die bewegliche Anordnung aus dem Luftspalt herausführenden Rückholeinrichtungen auf diese.

15.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch je-9098U/100 3

kennzeichnet, dass der Arbeitshub der beweglichen Anordnung teilweise dem Arbeitshub des Magnetkerns und teilweise dem Rückgang dieser Anordnung entspricht.

16») Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei feste Magnetkreise, welche' gegensinnig auf einen einzigen beweglichen Magnetkern einwirken, welcher zwischen diesen beiden Magnetkreisen schwingen kann.

17·) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebskern (18) senkrecht zu der Bewegungsrichtung geblättert ist.

18.) Elektromotor nach Anspruch'!, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Anordnung zwei Magnetkerne

■ ■ #

aufweist, deren jeder einem festen induzierenden Magnetkreis zugeordnet ist, wobei die gegenseitigen Stellungen dieser Kerne und der luftspalte dieser Hagnetkreise so gewählt sind, dass der magnetische Widerstand des einen dieser Magnetkreise am grössten ist, während er in dem anderen am kleinsten ist, und umgekehrt.

19.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückholvorrichtung durch einen mechanischen, durch eine Feder (31) gebildeten Energiespeicher gebildet wird.«

20.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Rückholvorrichtung durch ein Polster (16) aus, einem elastischen Druckmittel gebildet wird.

21.) Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Regelung der Dauer der die Feldwicklung (6) erregenden elektrischen Impulse.

22») Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Re^&lun." der Amplitude der in

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die Feldwicklung (6) geschickten elektrischen Impulse.

23.) Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen (74) zur Regelung der Widerholungsfrequenz der in die Feldwicklung (6) geschickten elektrischen Impulse.

24·) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass einer der einander gegenüberliegenden Teile des Magnetkreises einen Belag (61, 62) aus einem selbstschmierenden Werkstoff, z.B. Polytetrafluorethylen, aufweist, welcher etwas gegenüber den Polschuhen (2, 3) vorspringt und das Gleiten des' Kerns (18) zwischen den einander gegenüberliegenden Polflächen des Luftspalts (4) mit Gleitsitz gestattet.

25.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Hagnetkreis (1) durch ein C gebildet wird, dessen Mittelebene die Gleitachse des Kerns (18) enthält. . "·■-.■

26.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkreis durch ein doppeltes C (32, 34) gebildet wird, dessen unterbrochene Schenkel (32) gemeinsam sind, wobei die Ebene der Schenkel senkrecht zu der Gleitachse des Kerns (51) liegt.

27.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (18) mit der beweglichen Wand einer Pumpe verbunden ist, z.B. einem in einem Zylinder (12) beweglichen Kolben (21). .

28.) Elektromotor nach Anspruch 27j dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Wand (21) auf einer ihrer Seiten der Einwirkung einer entgegenwirkenden elastischen Rück-

holkraft ausgesetzt ist. ^ßAD

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29.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Anordnung (51) die bewegliche Wand (56) einer Pumpe für äen Umlauf eines Kühlmittels oder Schmiermittels der Maschine antreibt«

30.) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Anordnung (51) in Funktion ihres Hubes einen mit einem Schieber versehenen Verteiler (95) für den .Umlauf des Kühlmittels der Maschine antreibt·

31.) Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Rückholvorrichtung (92), welche.den Kern in eine ausserhalb des liuftspalts liegende Ruhestellung zu bringen sucht.

32.) Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein starres den Abstand der Pole festlegendes Abstandsstück

33.) Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein an den Polen zentriertes Abstandsstück (115), welches die Vorrichtungen (1.13) zur Führung des Kerns (111) . hält.

34») Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Luftspalte, in Vielehe gleichzeitig in einer symmetrischen Bewegung zwei Kerne gezogen werden, welche sich so gleichzeitig in der Stellung des kleinsten magnetischen Widerstands des Magnetkreises befinden.

35.) Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet

in durch einen Kern (51), dessen kleinste Abmessung/einer zu dem Magnetfeld senkrechten Richtung wenigstens das Doppelte der Dicke des luftspalts- (33) beträgt, in welchem dieses Magnetfeld herrscht.

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36·) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass dir Restluftspalt (E) zwischen dem Hagnetkern (18) und der gegenüberliegenden Fläche des Polschuhs (2, 3) wenigstens das Doppelte der seitlichen möglichen Verschiebung (e) des Kerns (18) in der gleichen Richtung von seiner axialen lage aus beträgt·

37·) Elektromotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kern (215)» dessen Aussenflache ein Kreiszylinder ist, dessen Achse zu der seiner Gleitbewegung parallel ist·

38.) Elektromotor nach Anspruch 37» dadurch

gekennzeichnet, dass die fest mit dem Magnetkern (215) verbundene bewegliche Anordnung (245) durch einen Kolben (213) gebildet wird, welcher starr in einem Zylinder (201) geführt wird, welcher zu dem durch die Polflächen des Magnetkreises gebildeten Zylinder (244) gleichachsig ist,

39·) Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der beweglichen Anordnung (245) um ihre Gleitachse frei drehbar ist*

40.) Elektromotor nach Anspruch 39» Gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (92a), welche die freie Drehung der Rückholfeder (92) Gegenüber dem festen Gestell (43) .gestattet.

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