DE2022547A1 - Motor mit schwingenden Antriebselementen - Google Patents

Description

DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

8 Mönchen 7i, 8. Mai 1970

Melchiorstraße 42

Motorola, Inc.

9ΛΟ1 Vest Grand Avenue

Franklin Park, Illinois

V.St.A.

Motor nit schwingenden Antriebseleaenten

Die Erfindung betrifft einen Motor mit bei bestirnter Be» triebsfrequenz schwingenden Antriebselementen, wobei das erste Antriebseiement mit einer bestimmten ersten Auslenkung hin und her geht.

Es ist allgemein bekannt, hin und her gehende Kolbenmechanlemen mit Hilfe sich drehender Antriebselemente, z.B. mit einen Induktionsmotor, anzusteuern. Bei einem solchen Antriebssystem ist es erforderlich, die drehbewegung des Motors in eine hin und her gehende Bewegung mit Hilfe eines geeigneten ÜbertragungsaechanisDuat umzuwandeln, welcher mehrere aufeinander reibende Gleitflachen besitzt. Zur Oberwindung der sich dadurch ergebenden Reibung Bussen derartige Motore entsprechend grosser dimensioniert werden. Für eine Vielzahl τοη Anwendungs-

ϊβ/wi fällen

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BADORlGfNAL

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fällen sind derartige Antriebssysteme au kompliziert aufgebaut υ.η& daher auch verhältnismässig teuer. In einem speziellen Anwendungsgebiet, und zwar beim Bau von Kühleinrichtungen, .werden derartige Motor© für Kompressoren benötigt, die sehr einfach und kostensparend aufgebaut sein sollen und überdies im Betrieb nur einen geringen elektrischen Energiebedarf haben, so dass derartige Kühleinrichtungen auch aus Gleichstrombatterien ait Hilfe von Wechselrichtern betrieben werden können, wenn dies bei der Verwendung von Induktionsmotoren wegen des hohen Energiebedarfs praktisch nicht mehr der Fall ist.

Es ist bereits bekannt, anstelle eines Induktionsmotors zum Antrieb eines Kompressors einen Elektromagneten zu verwenden, dessen Anker direkt alt dem Kompressorkolben verbunden ist. Der Elektromagnet wird mit einam Wechselstromsignal angesteu- ·' ert und besitzt einen federnd aufgehängten Anker. Die hin und her gehende Bewegung des Ankers aufgrund der Wechselstromansteuerung wird somit direkt zur hin und her gehenden Verschiebung des Korapressorkolbene benutzt. Ein Antriebssystem dieser Art besitzt einen ganz wesentlichen Nachteil darin, dass der Anker immer über den gesamten Kolbenhub verschoben werden und ausserdem eine verhaltnismäasig grosse Hasse aufweisen muss, damit eine ausreichende Leistung auf den Kolben übertragen wird. Aufgrund der grossen Masse des Ankers ergibt sich auch ein verhältnismässig grosser Luftspalt, so dass ein derart aufgebauter Magnetkolbenmotor verhältnismässig unwirtschaftlich ist.

Ein weiterer bekannter Motor mit hin und her gehendem Antriebssystem besteht aus oiner Spule, die in dem Luftspalt eines Permanentmagneten angeordnet ist und von einem Wechselstromsignal durchflossen wird. Die Spule ist über einen Bolzen direct mit dem hin und her gehenden Kolben des Kompressors

1Q9810/J*<L0 verbunden

BAD

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verbunden. Um die Spule innerhalb des Luftspaltes der Permanentmagneten su zentrieren bzw. freibeweglich zu haltern» ist eine Federaufhängung vorgesehen. Ferner ist es möglich, eine weitere Feder mit der Spule zu verbinden, die aufgrund ihrer Federkonstante dafür Borgt, dass die Resonanzfrequenz der von der Spule ausgeführten Schwingung mit der Frequenz des angelegten Vechselstroiasignals übereinstimmt. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Motors vsrbessert. Ein derartiges Antriebssystem findefc z.B. bei dynamischen Lautsprechern Verwendung. Da der Luftspalt, in dem sich die Spule bewegt, verhältnisslässig gross sein muss, und da die Auslenkung der Spule genau so gross ist wie die Auslenkung eines daran befestigten Kolbens_T ist der Wirkungsgrad eines solchen Motors verhältnisnässig gering. Ein derart aufgebauter Motor ist wegen seines grossen erforderlichen Magneten auch verhaitnismässig schwer und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor mit einem mit bestimmter Betriebsfrequenz schwingenden Antriebselement zu schaffen, wobei ein mit verhältnismässig grosser Auslenkung hin und her gehender Kolben von einem Antriebselement aus angesteuert wird, dae nur eine geringe Auslenkung benötigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein zweites schwingendes Antriebselement mit einer bestimmten zweiten Auslenkung hin und her geht, wobei die zweite Auslenkung grosser ist als die erste Auslenkung, und dass ein federndes Koppelelement das erste und zweite Antriebselement zu einem gekoppelten Schwingungssystem verbindet, dessen Resonanzfrequenz mit der Betriebsfrequenz zusamme?Tällt, so dass die Aus» lenkung des zweiten Antriebselemente;, über das Koppelelement auf ein Vielfaches der Auslenkung des ersten Antriebselements vergrössert wird.

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Weitere Merkmale äer Erfindung sind Gegenstand von Unteren« Sprüchen»

In besonders vorteilhafter Weise lässt sich die Erfindung bei einem Hagnet-Kolbenaiotor bzw. einam Piezo-Kolbenraotor verwirklichen, bei welchen das erste Antriebselemente entweder aus dem Anker eines wechselstromangesteuerten Elektromagneten oder aus einem wechselstroaangesteuerten piezoelektrischen Doppelkristall besteht. Bei jedem der speziellen Anwendungsfälle schwingt das Antriebselement nit einer begrenzten Amplitude bzw. Auslenkung hin und her, wogegen das federnden angekoppelte zweite Antriebselement in Form eines Kolben eine hin und her gehende Bewegung mit einer um ein Vielfaches grosseren Amplitude bzw. Auslenkung ausführt. Bei dem erfindungsgemässen Motor lässt sich eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit aufgrund der Tatsache erreichen« dass bei dem elektromagnetischen System zwischen dem Anker und dem Kern des Elektromagneten nur ein sehr schmaler Luftspalt benötigt wird« Bei der Verwendung eines piezoelektrischen Systems lässt sich der günstige Wirkungsgrad derartiger Systeme in vollen umfang ausnützen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung hervor. Es zeigen:

Pig. 1 eine Draufsicht auf das Motorgehäuse, in dem ein Motor gemäsß der Erfindung montiert ist;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1; Fig. '} einen Schnitt längs der Linie 5-3 der Fig. 1;

~ ⁴ " Fig. 4

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Fig. 4 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine geschnittene Teilansicht einer weiteren Äusführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführung Bf orm der Erfindung, die eine Abänderung des Motortyps goioäss Fig. 5 darstellt.

In den einzelnen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In den Fig. 1 bis 3 ist ein Magnet-Kolbenmotor gemäss der Er« findung dargestellt, wie er vorzugsweise als Kompressormotor Verwendung findet» Dar Motor ist in einem zylindrischen Ge^- häuse 13 montiert, das an seinem oberen Ende mit einem Deckel 10 verschlossen ist. Mit dem Gehäuse ist ein Ansaugrohr 11 verbunden, über welches dem Kompressor ein Arbeitegas zugeführt wird, das nach der Verdichtung durch den Motor über ein im Gehäuse montiertes Auslassrohr· 12 austritt. Das Gehäuse 13 ist gasdicht,und entsprechend sind die durch den Deckel geführten Ansaug- und Auslassrohre 11 und 12 durch Dichtringe geführt, die ein Auelecken des Gases aus dem Gehäuse IJ verhindern.

Der Kompressormotor gemäss der Erfindung ist ferner in einem zweiten inneren Gehäuse 16 angeordnet, welches am unteren und oberen Ende durch je ein Paar nachgiebiger Dämpf ungefedern 17 und 18 bzw. 19 und 20 gehaltert 1st. Diese Dämpfungsfedern ermöglichen, dass das innere Gehäuse 16 im äusseren Gehäuse schwebt und einer Übertragung von Schwingungen von Motor auf das äuesere Gehäuse 13 entgegenwirkt. Wie aus den Fig.1 und 2

- 5- - erkennbar

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örkennbar, ist dor Hotor elektromagnetisch angetrieben und besitzt einen laraellierten E~Kern, der am oberen Ende im Gehäuse 16 in der Weise befestigt ist, dass die äusseren Schenkel des E-Kernes mit dem inneren Gehäuse 16 am oberen Ende befestigt sind. Die einzelnen Scheiben des lameliierten Kernes 22 werden mit Nieten 21 zusammengehalten. Es wird ein lamellierter Kern verwendet, um die Verlustleistung zu erniedrigen, d.h. die Erzeugung von Wärme möglichst gering zu halten. Zum Antrieb des. Motors ist eine Wicklung 23 auf dem inneren Schenkel 32 des Kernes angeordnet, die mit einem Wechselstromsignal über die Leitungen 24 und 25 beaufschlagt wird, welche mit den durch die Ringdichtung 15 verlaufenden Anschlusstiften 27 und 28 verbunden sind. Die Anschlusstifte 27 und 28 können mit einer geeigneten, nicht dargestellten Wechselstromquelle verbunden sein, die im vorliegenden Beispiel eine Spannung von 120 Volt bei 60 Hz liefert. Es ist selbstverständlich auch möglich, den Motor mit Hilfe einer Batterie über einen Wechselrichter anzutreiben.

äusseren Schenkel 30 und 31 des E-Kernes 22 sind langer als der innere Schenkel 32, wodurch sich der Arbeitsluftspalt praktisch auf den Luftspalt zwischen dem inneren Schenkel und dem Anker 35 beschränkt und die Luftspalte zwischen dem Anker und den beiden äusseren Schenkeln auf die Betriebsfunktion keinen Einfluss haben. Der ebenfalls lamellierte Anker 35 liegt unterhalb des mittleren Schenkels 32 und erstreckt sich über die gesamte Breite zwischen den beiden äusseren Schenkeln 30 und 31« Dadurch wird für den Betrieb des Klaktromagneten ein geschlossener Magnetfluss gewährleistet. Der Anker 35 ist ferner im Zentrumsbereich mit einem Ansatz 36 versehen und besitzt dadurch die Form eines T. Der Ansatz 36 wird im inneren Gehäuse 16 von zwei verhältnismäeaig steifen Blattfedern 38 und 39 gehalten, die in einem gewiesen Abstand voneinander

- 6 - angeordnet

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angeordnet lind durch Schrauben 40 und 41 am inneren Gehäuse 16 befestigt sind. Biese Blattfedern 58 und 39 sind am Ansatz 36 reit Hilfe von zwei Abstandsscheiben 43 und 44 befestigt, welche in ihrer Position mit Hilfe von auf den Ansatz 36 aufgeschraubten..Kl earn sehr aub en 46 fixiert sind. Die Blattfedern 38 und 39 besitzen eine kombinierte Federkonstante von ungefähr 67,5 kp für eine Auslenkung des Ankers 35 von etwa 1 mm. In entspannter Lage wird der Anker 35 durch die Blattfedern in einer Position etwa in der Mitte zwischen den beiden in Fig. 2 und 3 dargestellten Positionen gehalten. Die freie Resonanzfrequenz des Antriebsmecbanismus einscaliesslich der Blattfedern 38 und 39 liegt bei ungefähr 250 Hz.

Dieser Antriebsmechanismus für den Anker ist auf der einen Seite mit einer Schraubenfeder 50 verbunden, die in einer Bohrung des Ansatzes 36 mit Hilfe einer Madenschraube 51 festgehalten ist. Das andere Ende der Schraubenfeder 50 wird in einem Ansatz eines Kolbenverbindungsstückes 53 ebenfalls mit einer Hadenschraube 56 festgehalten. Das Kolbenverbindungsstück 53 ist seinerseits mit einem hohlen Kolben 54 verlötet oder versehweisat, der in einem aus einem Teil des inneren Gehäuses 16 gebildeten Zylinder 55 verschiebbar gehaltert ist.

Die Federeigenschaften der Schraubenfeder 50 sind derart ausgewählt, dass sie zusammen mit der Hasse des Kolbenverbindungsstückes 53 sowie des Kolbens 54 ein Resonanzsystem bilden, das eine Resonanzfrequenz bei 120 Hz aufweistα Da der Anker 35 von dem Elektromagneten bei einem an die Spule 23 angelegten 60 Hz Wechselstroffisignal mit einer Frequenz von 120 Hz angezogen und abgestossen wird, verursacht die durch den Elektromagneten dem Anker 35 aufgezwungene Bewegung die Feder 50 und den Kolben 54 sich mit einer Frequenz von 120 Hz hin und her zu bewegen. Da die Resonanzfrequenz des Systems mit der Feder 50 sorgfältig

- 7 - an

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ac. die Frequenz angepasst ist, mit welcher der Anker 35 angetrieben wird_t ergibt sich eine mechanische Impedanzanpassung zwiöch©n dem Anker 35 und dem Kolben 5^_t di© eine Vergrösserung der Schwingasaplitude des Ankers 35 ia der Weise bewirkt, dass der angetei©bsae Kolben 5^- &it ©in©3? im Verhältnis wesentlich grossQren Schwingamplitude schwingt» Es ist z.B. möglich, den Kolben 5^ <Ierai?t anzusteuern, dass or ein© etwa 12-fach grössere Auslenkung aufweist als der Anker 35·

Di© Blattfedern 38 und 39 dienen bei dem Motor gemäss den Fig. 2 und 3 einer Vielssah! von Funktionen· Sia geben zunächst eine mechanische Halterung v.niä Ausrichtung ö©s gesamten sich bewegenden Systems,, wie as zuvor beschrieben wurde. Ferner spei« ehern die Blattfedern 38 und 39 die unsymmetrische mechanische Energie _t welohe vom Anker 35 herrührt ,.und satsjen diese in eine mechanische sowie symmetrisch sinusförmige Antriebskraft für das Schwingsystem aus d©r Schraubenfeder und dem Kolbenverbindungsstück sowie dem Kolben 53 bsw* 5% xm« Durch das Vorsehen oiner steifen Antriabequelle für die die Resonanzfrequenz koppelnde Schraubenfeder 50 wird durch die Blattfedern 38 und 39 verhindert, dess das System von einer 90° Phasenverschiebung beeinflusst wird, welche zwischen den zwei mechanischen Half·* ten eines unter dynamischen Bedingungen sich bewegenden Systems existiert.

Der hohle Kolben 5^ wird innerhalb des Zylinders 55 in einer für Kompressoren von Kühlaggregaten iac.ckömmlichen Weise hin und her bewegt. In Fig. 2 ist der Zylinder in seiner untersten Lage dargestellt, in welcher ein Ansaugventil 57 am unteren Ende des Kolbens 54 geschlossen und ein Auslassventil 58 am unteren Ende des Zylinders 55 geöffnet ist. Am Boden des inneren Gehäuses ist eine Druckkamme:? ^r9 Löschen, die an dem inneren Gehäuse 16 mit Hilfe geei ;netfe- >. wfestigungsiaittel, z.B. mit Bolsen-

- 8 - schrauben

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schraub©η 60 befestigt ist· Bas komprimierte Gas wird aus dem Zylinder 55 durch das offen© Auslassventil 58 in die Druck- _; kammer 59 verdrängt und schliesslich über das Auelassrohr 12 ausgestoasen. Um den gewünschten Druck aufzubauen, besitzt das Atislassventil 58 ein© verbaltnismässig steife Ventilfeder 62, gegen deren Kraft das Yentil aufgedrückt werden muss. Diese Feder wird bezüglich ihrer Eigenschaften entsprechend des ge.~ wüiischten Druck ausgewählt. Der konstruktive Aufbau der Korn-, preseionskanaaer 59 oowie des Kolbens 5* und. des Zylinders 55 kann in herkömmlicher !»'eise wie bei Kompressoren für Kühleinrichtungen ausgefülirt sein«,

Das dsm Kompressor über das Ansaugrohr 11 zugeführte Gas tritt durch eine öffnung &5 im oberen, direkt über dem Kern 22 und der Wicklung 23 liegenden Teil des inneren Gehäuses 16 in die= ses ein. Dieses Gas fliesst an dem Kern des Elektromagneten und der Wicklung vorbei und bewirkt für diese Teile eine Küh« lung. Aus Fig. 3 ist au entnehmen, dass das Gas dabei zwischen der Wicklung 23 und den äusseren Begrenzungen des inneren Gehäuses 16 beiderseits der Spule hindurchtritt» Die Blattfedern 38 und 39 sind ait Öffnungen 66 versehen, durch welche das Gas hindurchströmen kann und damit in den. grös&eren Teil des inneren Gehäuses gelangt, in welchem die Resonanz-Schraubenfeder 50 untergebracht ist. Von diesem Gehäuseteil aus dringt das Gas dann in den Kolben 54- von oben her ein und fliesst während des zurücklaufenden Hubs des Kolbens, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, durch das offene Ansaugventil 57 in einen Hohlraum, der zwischen dem unteren Ende des Kolbens 54 und den nunmehr geschlossenen Auslassventil 58 sich ausbildet«

Wie aus Fig. 3 zu entnehmen ist, befindet sich ein Ansaugstutzen 68 in der Wandung des inneren Gehäuses 16, welcher das Innere des Gehäuses 16 mit dem Inneren des Gehäuses 13

- 9 - verbindet

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verbindet» Auf dem in den Raum zwischen den beiden Gehäusen verlaufenden Ende des Ansaugstutzens befindet sich ein Netzfilter 69t äas auch mit einem saugfähigen Teil versehen sein kann, der mit einem Schmiermittel getränkt ist. Auf diese Weise wird von der durch den Ansaugstutzen 68 angesaugten Luft jeweils eine geringe Menge des .Schmiermittels in das Innere des Gehäuses 16 mitgenommen, was für die Schmierung des Kolbens 5* ausreicht« Einen derartigen Ansaugstutzen für das Schmiermittel bei einem Kompressormotor vorzusehen ist üblich, wobei das Schmiermittel aus einem Vorratsbehälter entnommen werden kann, der sich in dem Raum zwischen dem Gehäuse 13 und dem Gehäuse 16 befindet und am Boden dieser Gehäuse angeordnet ist«

In Fig. 2 ist dor Kolben 5^ und der Anker 35 jeweils in der untersten Lage dargestellt, wogegen in Fig. 3 der Kolben 5^ und der Ankar 35 in der obersten Lage dargestellt ist, damit die unterschiedliche relative Auslenkung der beiden aus der vergleichenden Betrachtung leicht zu entnehmen ist. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, dass im praktischen Betrieb eine 90° Phasenverschiebung zwischen der Auslenkung dieser beiden Teile besteht, so dass zu keiner Zeit während des dynamischen Betriebs der Anordnung der Anker 35 und der Kolben 54- gleichzeitig die oberste und unterste Extremlage βinnehmen«

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines elektromagnetisch angetriebenen Kompressormotors dargestellt, der im Prinzip dem Hotor gemäss den Fig. 1 bis 3 entspricht. Der einzige unterschiedliche Aufbau besteht in der Ausbildung der verwendeten Ankeranordnung. Es wird daher auch im wesentlichen nur diese beschrieben.

- 10 - Der

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Der Anker des Magnet-Kolbenmotors gemäss Fig» 4 besitzt die Form eines Eohlsylinders 70, der aus magnetischem Material hnrgostellt ist und einen oberen Teil 71 aufweist, der im wesentlichen an den inneren Schenkel 32 des Elektromagneten in derselben Weise wie der Anker 35 gemäss fige 2 und 3 angepasst ist« Dieses obere Sude 71 des Hohlzylinders 70 ist ebenfalls mechanisch'durch ein© steife Blattfeder 72 gehaltert, die von derselben Art ist wie die Blattfedern 38 und 39« Die Seiten des Eohissylinders 70 verlaufen nach unten und umgeben tfiö Schraubenfeder 50,--welche am unteren Ende mit dem Hohlaylindes 70 entlang der'untersten'Windung verklemmt ist, wobei öle se 'Windung zwischen dem Hohlzylinder 70 und einem auf·= geschraubten Klemmstück 73 verspannt wird.

Bas untere Ende des Hohlzylinders 70 und das Klemmstück 73 werden vom Zylinder 55'-der KompresBorpumpe mit Hilfe von zwei weiteren steifen Blattfedern 74 und 75 gehaltart, welche auf der Aussenseite des Zylinders 75 ^it Hilfe von zwei Abetandsccheiben 77 und 78 festgelegt sind und entlang ihrem äusseren Umfang durch eine Abstandsscheibe 79 auf einem gewissen Abstand voneinander gehalten werden. Ein am Boden der Anordnung angebrachter Klemmring 80 hält den gesamten Aufbau zusammen,, Im Innern wird der Aufbau von zwei Schraubmuttern gehalten* die auf den Zylinder 55 aufgeschraubt sind und die Blattfedern 74 und 75 zwischen den Schraubmuttern und dem Klemmring 80 verspannen. Auf öiase Weise werden die drei Blattfedern 72₁ 74- und 75 fest mit dem inneren Gehäuse 16 verbunden, um den hohlzylindrischen Anker 70 zu halten und zu zentrieren. Das obere Ende der Schraubenfeder 50 wird dann gemäss Fig» 4 mit dem oberen Ende dee Kolbens 54 verbunden, wofür ein Klemmstück 82 Verwendung findet, das mit dem Kolbenverbindungsstück 53 über geeignete Befestigungsmittel, z.B. Schrauben od. dgl.,

« 11 - verbunden

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verbunden ist. Der Kolben 5^ kann sich frei innerhalb des Zylinders 55 in derselben Welse bewegen» wie dies vorausgehend anhand von Fig. 2 und 3 beschrieben ist·

Der Aufbau des Magnet-Kolbenmotors gemäss Fig. 4 bietet die Möglichkeit_t ©inen wesentlich kompakteren Motor zu bauen, da die ochraubenfeder 50 auf der Unterseite des hohlzylindriseilen Ankers befestigt ist und um die Zylinder- und Kolbenanordnung herum verläuft, während der Hohlzylinder 70 die Schraubenfeder 50 umgibt*

Bei den beiden zuvor beschriebenen Ausführungeformen der Erfindung ist die Masse des Ankere und der Blattfedern derart ausgewählt, dass sie eine um mehrere Grössenordnungen grossere mechanische Energie speichern können, als für den Antrieb der Resonanzpumpenanordnung aus der Schraubenfeder 50 und dem Kolben 54 notig ist«, Dies stellt sicher, dass nur eine minimale Änderung der Resonanzfrequenz unter den Bedingungen sich ändernden Druckes entsprechend der Betriebswelse des Kompressor·» motors auftritt.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die Elektromagnetanordnung durch ein piezo» elektrisches Antriebssystem ersetzt 1st. Dieses piezoelektrische Antriebssystem besteht aus einer Metallplatte 90, welche innerhalb des inneren Gehäuses 16 montiert und mit diesem in einer ähnlichen Weise verklemmt 1st, wie dies bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit Hilfe der Blatt* federn 38, 39 bzw. 72, 7^,75 erfolgt ist. Diese Metallplatte besteht vorzugsweise aus einer Stahlsorte mit einer bestimmten Eisen-Nickel-Legierung und einem niederen linearen Ausdehnungskoeffizienten. Die Metallplatte 90 besteht aus einer Kreisscheibe und zwei nickelplattierten piezoelektrischen Keramikscheiben 91 und 92 in einem Zwei-Elementen-Aufbau, die

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mit der Metallplatte verklebt sind. Sie eine Keramikscheibe 91 befindet sich auf der Oberseite und die andere Keramik» scheibe 92 auf der Unterseite der Metallplatte 90. Hit den piezoelektrischen Keramikscheiben sind Leitungen 24 und 25 in herkömmlicher Weise verbunden, über welche mit Hilfe eines Wechselatromsignals der Zwei-Elementen-Aufbau angesteuert wird.

Sowohl in der Metallplatte 90 als auch in den piezoelektrischen Keramikscheiben 91 und 92 sind öffnungen 93 bzw· 94 vorgesehen, in welchen ein Verbindungsstab 96 befestigt ist« Dieser Verbindungsstab 96 ist in geeigneter Weise, z.B. durch Schweissen öder Löten, oder auch durch Verschrauben mit der Metallplatte 90 verbunden. Das andere Ende des Verbindungsstabes 96 ist in eine Federverbindungsplatte 97 eingeschraubt, die einen Ansatz 98 aufweist, mit welchem die Feder 50 unter Verwendung einer Madenschraube 99 befestigt ist. Der übrige (Teil des in Fig. 5 dargestellten Kompressormotors ist in derselben Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 2 und 3 aufgebaut und wird daher nicht weiter beschrieben.

Wenn an die piezoelektrischen Keramikscheiben 91 und 92 über die Leitungen 24 und 25 eine 60 Hz Wechselstromspannung in geeigneter Phase angelegt wird, ändert sich der Durchmesser dieser Scheiben. Die Scheiben sind derart ausgewählt und einander phasenmässig zugeordnet, dass sich die eine Scheibe im Durchmesser vergrössert, während die andere Scheibe ihren Durchmesser verkleinert, wenn eine Halbwelle des Wechsel-¹ Stromsignals angelegt wird* Während der anderen Halbwelle des Wechselstromsignals ändert sich der Durchmesser der jeweiligen Scheibe entgegengesetzt, so dass die Metallplatte in beiden Richtungen durchgewölbt wird.

Bei dieser Durchwölbung der Metallplatte verschiebt sich das Zentrum der Platte ungefähr um 0,7 bis 1 ma, ao dass der

- 13 - Kolben

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Kolben 5^ entsprechend hin und her geht, wenn die Metall* platte 90 über die Schraubenfeder 50 mit diesem verbunden und für eine Resonanz bei 60 Hz entsprechend ausgelegt ist. Durch die Anpassung des Hesonanzsystems aus der Schraubenfeder 50 und dem Kolben 54 an die 60 Hz Frequenz wird eine mechanische Impedanzanpassung zwischen den antreibenden piezoelektrischen Keramikscheiben und dem Kolben bewirkt, woraus sich die bereits beschriebene mechanische Vervielfachung der Auslenkung in der Grössenordnung von 12 : 1 ergibt. Somit wird die geringe Auslenkung der piezoelektrischen Keramikscheiben in eine entsprechend grosse Auslenkung transformiert» welche ausreicht, um einen Kompressormotor, z.B. für Kühlanlagen, anzutreiben.

In Flg. 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der ein piezoelektrisches Antriebssystem dazu verwendet wird, um zwei Kolben gleichzeitig im Gegentakt anzusteuern, so dass mit jeder Halbwelle ein Kompressionshub entweder mit dem einen oder dem anderen Kolben ausgeführt wird. Jede der beiden Hälften der Ausführungsform gemäss Fig. 6 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform gemäss Fig. 5« so dass entsprechend eine Schraubenfeder 50 zwischen dem piezoelektrischen Zwei-Elementen-Antrieb und einem Kompressionssystem, wie es anhand der Fig. 2 und 5 beschrieben wurde, Verwendung findet. Aus diesem Grund kann auch auf eine weitere Erläuterung der Wirkungsweise der beiden Hälften verzichtet werden, für welche die Bezugezeichen zur Unterscheidung mit ¹¹ a" und "b" versehen sind.

Um den Motor gemäss Fig. 5 derart abzuändern, dass der Motor gemäss Fig. 6 entsteht, muss lediglich ein weiterer Verbin dungsstab 96b vorgesehen werden, der von Zentrum der Metallplatte 90 aus entgegengesetzt zum Verbindungsetab 96a verläuft, Die Resonanzfrequenz für die beiden Schwingsysteme aus der Schraubenfeder 50 und dem Kolben ist dieselbe und entspricht

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der Frequenz, bei welcher die Metallplatte -und die piezoelektrischen Keramikscheiben schwingen. Die Ansaugrohre der beiden Hälften werden in einem T-Stück 100 zusammengeführt, das an eine Ansaugleitung 101 angeschlossen ist· Entsprechend werden auch die Auslassrohre jeder Hälfte in einem T-Stück 103 verbunden, das mit dem Auslassrohr 104 in Verbindung steht· Bie Wirkungsweise der beiden Hälften des Piezo-Kolbenmotors entspricht der der Ausführungsform gemäss Fig. 5* jedoch arbeiten die beiden Hälften mit einer Phasenverschiebung von 180° zueinander.

Die vorausstehend beschriebenen liotore verwenden ein auf der Resonanzüberhöhung beruhendes Koppelsystem, um die geringe Auslenkung eines Antriebsmechanismus, z.B. des piezoelektrischen Antriebs mit Hilfe von Zwei-Elemente-Scheiben oder des elektromagnetischen Antriebs über einen dünnen Luftspalt in einen verhältnismässig langen Kolbenhub des Kompressorkolbens umzuwandeln. Beim Hagnet-Kolbenmotor mit dem elektromagnetischen System ergibt sich aus der Verwendung des sehr kleinen Luftspaltes ein sehr guter Wirkungsfaktor, so dass nur eine sehr geringe Eingangsleistung benötigt wird. Auch bei dem Piezo-Kolbenmotor ist die Singangeleistung niedrig genug, um diesen von einer Gleichstromquelle über einen Wechselrichter anzusteuern, so dass ein derartiger Piezo-Kolbenmotor besonders für tragbare Einheiten geeignet 1st. Die Blattfedern, welche beim Magnet-Kolbenmotor zur Ausrichtung und Halterung der Ankeranordnung Verwendung finden, können eine nicht lineare Charakteristik zur besseren Anpassung der Kraft-Abstandskurve des Elektromagneten aufweisen.

Da es nicht notwendig ist, grosso bzw. teure und schwere Elektromagneten in den beschriebenen Motoren zu verwenden, lassen sich die Kosten für derartige Motore erheblich reduzieren und auch die Grössenabmeasungan bei gleichbleibender Kapazität gegenüber anderen Kolbenmotoren erheblich verringern·

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Da bei diesem Hotor nur zwischen dem Kolben und dem Zylinder eine Reibung auftritt, ist es auch möglich,, den Kolben mit Kolbenringen aus Polytetrafluorethylen oder einem Polytetrafluoräthylen-Überzug zu versehen_t so dass der Motor bzw· Kompressor ohne Schmierung, d.h. trocken gefahren werden kann. Dies ist für tragbare Einheiten besonders vorteilhaft·

Obwohl vorausstehend als Anwendungsgebiet für den Kompressormotor die Verwendung in Kühleinrichtungen angegeben wurde_t ist es selbstverständlich, dass sich für die beschriebene Einheit aus einem Motor und Kompressor auch viele andere Anwendungsgebiete ergeben, bei denen verhältnismässig preiswerte Kompressoren benötigt μerden· So ergibt sich als weiteres Anwendungsgebiet z.B. die Verwendung bei pneumatischen Regelsystemen, die Verwendung als !"lüssigkeitspuiapen und andere« Es ist selbstverständlich, dass die in den vorausstehenden Ausführungsbeispielen angegebenen .Frequenzen entsprechend den Verwendungszwecken beliebig geändert werden können.

- 16 - . Patentanspruch»

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Motor nit bai bestimmte!? Betriebsfrequena schwingenden AntX'iobsolesns&tsn, wobei das ex-ste Antrieb selesaent mit einer beati.mmtan ersten Auslenkung hin und her geht, dadurch, gekennzeichnet,, dass ein zweites Echwingenüös Antrieb sei eni ent (54) mit ©iner bestiamten zweiten Auslenkung liin \md hör geht, wobei die zweite Auslenkung-grosses¹ ist als die erste Auelenkungj und dass ein federndos Koppeleleaient (50) das erste und zweite Antriebseleaenb ?ai einem gekoppelten Schwingungssystem verbindet, dessen Resonansfrequenz mit der Betriebsfrequenz zusaauaenfälltp so dass die Auslenkung des zweiten Antriebselements über das Koppelelement auf ein Vielfaches der Auslenkung des ersten Antriebselemente (35» 36) vergröasert wird.

   2. Hot or nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chn e t, dass das federnde Koppelelement eine Schraubenfeder (50) iat.

   Motor nach Anspruch 1,, dadurch gekennzeichnet, dass dao zweit© A2ii:ri*;i>oo.loffi«nt τοη einem Kolben

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   gsbildet ist, der in einem Zylinder (55) verschiebbar gehalten ist»

   „ Motor nach Anspruch 3_t dadurch gekennzeichne t_t dass der hohl ausgebildete Kolben (5*0 Teil einer Kompres3orpumpe ist und in seinem Innern ein Ansaugventil (57) umfasst, das mit einem Auslassventil (58) am Zylinder (55) zusammenwirkt.

   5· Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste AnteiebseleKent (96) über ein weiteres federndes Koppelelement (50b) ait einem dritten Antriebselemente (5^b) zu einem gekoppelten Schwingungssystem verbunden ist, dessen Resonanzfrequenz mit der Betriobsfrequenz zusammenfällt, so dass die durch Energieübertragung mittels des Koppelelementes vargrösserte Auslenkung dee dritten Antriebselementes gleich der Auslenkung des zweiten Antriebeelementes bei der Betriebsfrequenz ist.

   6. Ho tor nach Anspruch 5» dadurch gekennze Ichnet, dass das zweite und dritte Antriebselement und entsprechend die beiden federnden Koppelelemente auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Antriebselementee angeordnet sind.

   7* Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebselement aus einer piezoelektrischen Schwinganordnung besteht (90, 91, 92), ^ er en Resonanzfrequenz bei dor Betriobsfrequenz liegt.

   109810/1390

   M1O2B-365

   Β.· Hot-ox¹ itacb. Anspruch 7j dadurch g; β k en η ζ e i c h η e t, dass die piezoelektrische Sehwinganordnung eine flexible Platte (90) tunfasst, an welcher piezoelektrische Doppelfcristalle befestigt sind_? die derart ausgelegt sind, dass beim Ablegen eines Wechselstromsignals das Zentrum der Platte mit einer Amplitude auslenkbar ist, die der ersten Auslenkung entspricht. .

   "9o Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e η η ζ e ic h η ο t_t dass das erste Antriebsöleaient aus einem Elektroiagsneten besteht, dessen. Wicklung mit einem Wechselstrossignal beaufschlagt ist, lind der einen Anker (55) umfasst, welcher federnd, vorzugsweise mit Hilfe von Blattfedern (38, 39), benachbart zum Kern des Elektromagneten derart gehalten ist, dass der Anker Bit der Betriebsfrequenz schwingt, und dass der Anker mit dem federnden Koppelelement verbunden ist«