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Schwingmotor mit einem intermittierend erregten,
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beweglichen Spulen system und feststehendem Feldsystem Die Erfindung
betrifft einen Schwingmotor mit einem intermittierend erregten Spulensystem, das
sich durch Wechselwirkung mit einem feststehenden Feldsystem geradlinig hin- und
herbewegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und wirkungsvollen,
insbesondere am Stromverteilungsnetz anschlie8-baren linearen Schwingmotor zu schaffen,
um insbesondere kleinere
Kolben- oder Membranpumpen antreiben zu
können, wie sie für Handgeräte zum Spritzen oder Versprühen von Flüssigkeiten verwendet
werden.
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Ausgehend von einem SchwingmoLor der einleitend näher bezeichneten
Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Feldsystem aus einem
ringförmigen, axial oder radial magnetisierten Dauermagneten und zwei koaxial zueinander
und zu dem Dauermagneten angeordneten weichmagnetischen Polkörpern besteht, die
miteinander einen Ringspalt mit radialer Feldrichtung bilden, in den eine axial
beweglich gelagerte, dem Einfluß einer Rückstellfederanordnung unterworfene zylindrische
Spule eintaucht.
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Ein Feldsystem in dieser im wesentlichen dreiteiligen Ausführungsform
ist außergewöhnlich einfach herzustellen, zumal moderne, hochleistungsfähige Dauermagnete
kleine Motorbauformen mit verhältnismäßig großer abgegebener Leistung ermöglichen.
Sofern der Dauermagnet-Ring axial magnetisiert ist, kann der eine Polkörper einfach
die Gestalt einer Ringscheibe und der andere Polkörper die Gestalt einer Ringscheibe
mit einem sich ausschließenden Axialabschnitt haben. Die Polkörper brauchen nicht
einteilig zu sein, zumal dann nicht, wenn sich der Axialabschnitt des einen Polkörpers
innerhalb der Ringform des Dauermagneten befindet, was als bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung angesehen wird. Der Axialabschnitt kann dann beispielsweise ein zylindrischer
Innenpol sein, der in eine im wesentlichen ebene Polringscheibe eingesetzt ist.
Es kann aber auch der Dauermagnet des Feldsystems radial innen liegen und ein Polkörper
topfförmig um diesen herumgeformt sein, wobei dann die Wand des Topfes als Axialabschnitt
angesehen wird. In beiden Fällen liegen die Polkörper an den Stirnseiten des axial
magnetisierten Dauermagneten an. Ist der Dauermagnet-Ring radial magnetisiert, so
liegen die Polkörper auch radial an diesen an und erstrecken sich bis zu dem zwischen
ihnen gebildeten Ringspalt im wesentlichen axial.
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Wie auch die Konstruktion des Feldsystems im Rahmen der genannten
Möglichkeiten im einzelnen ist, taucht in den vom Dauermagnetfeld radial durchsetzten
Ringspalt eine eisenlose, zylindrische Spule ein. In Weiterbildung der Erfindung
ist diese Spule mittels einer stirnseitigen Halteverbiiidung an einer sie koaxial
durchsetzenden Tragstange befestigt, welche mit einem Ende in einem Polkörper und
mit dem anderen Ende in einem Traggestell gelagert ist. Je länger die Tragstange
ist, um so weniger wird die Genauigkeit der Längsführung durch das Lagerspiel beeinträchtigt,
weil dieses eine um so geringere Kippbewegung der Spule um eine zur Tragstange senkrechte
Achse ermöglicht. Die Lagerung in der Polscheibe kann eine einfache zentrale Bohrung
sein. Das Traggestell kann als Kappe ausgebildet sein, die auf das Feldsystem aufgesteckt
ist und somit die empfindlichen und beweglichen Teile des Schwingmotors verkapselt.
Die Tragstange, welche die Schwingantriebsbewegung auf die angetriebene Pumpe überträgt,
kann über das Traggestell und/oder über die an der entgegengesetzten Seite des Schwingmotors
befindliche Polscheibe hinausragen.
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Als Rückstellfederanordnung werden vorzugsweise zwei die Tragstangenabschnitte
beiderseits der Halteverbindung umgebende, gegeneinander vorgespannte Wendelfedern
vorgeschlagen. Verwendet man hierfür insbesondere Druckfedern, so brauchen diese
bei der Montage des Schwingmotors einfach mit eingelegt zu werden.
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Sie werden dann beim Aufsetzen des Traggestells komprimiert.
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Durch die Auswahl der Federkonstanten und das Ausmaß der Vorspannung
kann die Rückstellkraft und Rückstellcharakteristik der Federanordnung in weitem
Umfang den jeweils vorhandenen Verhältnissen angepaßt werden.
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Ein weiterer Vorschlag der Erfindung zielt auf eine möglichst einfache
und zweckentsprechende Fertigung der Spulenanordnung hin. Er besteht darin, daß
die Halteverbindung und von ihr ausgehende Tragstangenhälften einen einstückigen
Schwingkörper aus einem Kunststoff, insbesondere ein Kunststoffspritzteil, bildet.
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Um die Spule noch fester und einfacher mit einem solchen Schwingkörper
zu verbinden, wird weiter vorgeschlagen, daß sie in den Schwingkörperwerkstoff eingebettet
ist, d.h. also vor dem Spritzen des Kunststoffteils in die Form eingefügt ist, so
daß der Tragkörperwerkstoff die Spule praktisch vollkommen einschließt.
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Die Spule kann aber auch selbsttragend imprägniert und nur im stirnseitigen
Bereich vom Schwingkörperwerkstoff umschlossen sein.
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Die Stromzuführung zu der beweglichen Spule erfolgt vorzugsweise über
lose hängende flexible isolierte Leitungen, wobei berücksichtigt ist, daß bei einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Maximalhub der Spule nur etwa 5 mm
beträgt.
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Der Erregerstrom der Spule wird vorzugsweise aus dem normalen Stromverteilungsnetz
bezogen, wobei vorgeschlagen wird, daß die Spule mit einem elektrischen Ventil,
beispielsweise einer Diode in Reihe geschaltet ist und so mit einer Sinus-Halbwelle
erregt wird. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die Erregung jeweils mit
dem Arbeitshub des Schwingmotors einhergeht und die federbetriebene Rückbewegung
jeweils in das stromlose Intervall fällt.
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Der erfindungsgemäße Schwingmotor zeichnet sich durch besondere Geräuscharmut
aus. Das rührt unter anderem auch daher, daß die elektrodynamische Antriebskraft
im Gegensatz zu Magnetsystemen mit Anker weitgehend sinusförmig ist, zumindest dann,
wenn die
Spule im Bereich des ringförmigen Polspalts homogen ist,
d.h.
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auf eine so große Länge gleichförmig zylindrisch ist, daß praktisch
stets gleich viele und gleich geformte Windungen vom Dauermagnetfeld erfaßt werden.
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Der vorgeschlagene Schwingmotor bietet aber auch die Möglichkeit,
durch entsprechende Änderung der Spulenform, insbesondere durch eine bestimmte Bemessung
der axialen Spulenlänge oder durch eine bestimmte Anordnung der in Ruhe befindlichen
Spule innerhalb des Hubbereiches den zeitlichen Verlauf der Antriebskräfte innerhalb
einer Netzperiode den gewünschten Antriebsbedingungen anzupassen. Ferner kann eine
solche Anpassung durch andere elektrische Schaltelemente als eine einfache Gleichrichterdiode
bewirkt werden, d.h. durch eine bewußte Gestaltung der Antriebsspannungskennlinie
in Abweichung von der ganzen oder halben Sinuswelle. Vorgeschlagen wird diesbezüglich
die Speisung der Spule mit einer Rechteck-Halbwelle über eine geeignete Halbleiter-
oder Thyristor-Steuerung, insbesondere für Pumpenantriebe zum Versprühen verhältnismäßig
dickflüssiger Medien.
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Zwei schematische Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend
anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Axialschnitt
eines rotationssymetrisch ausgebildeten Schwingmotors, dessen Feldsystem einen innerhalb
des Ringmagnets befindlichen Innenpol aufweist und Fig. 2 eine entsprechende Darstellung
eines zweiten Schwingmotors mit anderem Feldsystem.
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Der in Fig. 1 gezeigte Schwingmotor besteht aus einem Dauermagneten
1, der die Form eines Ringes mit etwa quadratischem Querschnitt hat und in Achsrichtung,
d.h. parallel zu der Mittelachse 2 der gezeigten Anordnung magnetisiert ist. An
die obere Stirnfläche des Dauermagneten schließt sich ein Polkörper 3 von der Form
einer Kreisringscheibe an, deren Außendurchmesser nahezu so groß wie der Außendurchmesser
des Dauermagneten ist und die radial nach innen über den Dauermagneten 1 vorsteht.
An der unteren Stirnfläche schließt sich ein zweiteiliger Polkörper 4 mit einer
Ringscheibe 5 an, deren Innendurchmesser noch kleiner als der Innendurchmesser des
Polkörpers 3 ist. In die Ringscheibe 5 ist, den Dauermagneten durchsetzend, ein
im wesentlichen zylindrischer Innenpol 6 eingesetzt. Im Bereich des oberen Endes
des Innenpols 6 bildet dessen Außenmantelfläche mit der Innenmantelfläche des Polkörpers
3 einen Ringspalt. Die Feldlinien des Dauermagneten schließen sich somit über die
beiden Polkörper 3 und 4 und durchsetzen den Ringspalt im wesentlichen radial.
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Ein mit Ausnahme einer Spule 7 einstückiger Schwingkörper ist insgesamt
mit 8 bezeichnet. Er gliedert sich in einen hohlzylindrischen Spulenträger 9, eine
Halteverbindung, bestehend aus einer Scheibe 10 mit nach oben ragende Nabe 11, und
in zwei axial nach oben und unten abstehende Tragstangenhälften 12 und 13. Der
Schwingkörper
8 ist aus einem Kunststoff gespritzt. In eine entsprechende Umfangsnut des Spulenträgers
9 ist die Spule 7 aus Kupferdraht eingewickelt und anschließend mit einer Vergußmasse
verfestigt und mit dem Spulenträger 9 verbunden. Alternativ kann auf den Spulenträger
9 verzicllLet und eine selbsttragende Spule verwendet werden.
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Der Schwingkörper kann sich in Richtung der Mittelachse 2 auf-und
abbewegen. Die obere Tragstangenhälfte 12 ist zu diesem Zweck in einem Traggestell
14, das auf den Polkörper 3 aufgesetzt ist, und die untere Tragstangenhälfte 13
ist in einer zentralen Bohrung des Innenpols 6 gelagert. Das Traggestell 14 kann
insbesondere auch eine geschlossene Haube sein.
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Zwei Wendelfedern 15 und 16, welche die obere und untere Tragstangenhälfte
12 und 13 umgeben, klemmen die Halteverbindung 10, 11 des Schwingkörpers 8 zwischen
sich ein. Die obere Wendelfeder 15 stützt sich dazu am Traggestell 14 und die untere
Wendelfeder 16 am Innenpol 6 ab. Zur teilweisen Aufnahme der unteren Wendelfeder
16 hat der obere Abschnitt der Bohrung des Innenpols 6, welcher zur Lagerung der
unteren Tragstangenhälfte 13 nicht benötigt wird, einen größeren Durchmesser. Die
Spule 7 ist über in der Figur nicht gezeigte flexible, mit einem zähen Kunststoff
isolierte Leitungen unter Zwischenschaltung einer Diode mit einem 50 Hz-Wechselstromnetz
verbunden. Die Diode ist so geschaltet, daß der Arbeitshub des Schwingmotors mit
dem Kompressionshub der angeschlossenen Pumpe bzw. dem kraftverzehrenden Hub einer
sonstigen anzutreibenden Vorrichtung, zusammenfällt.
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Ein praktisch ausgeführter Schwingmotor in der vorbeschriebenen Konstruktion,
der in Wirklichkeit jedoch nur 2/3 der dargestellten Größe hat, wird im Rahmen einer
sogenannten Heim-Mund-Dusche zum Antrieb einer kleinen Kolbenpumpe benutzt, welche
aus einem
Vorratsbehälter warmes Wasser über ein Mundstück ausspritzt.
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Sofern hierbei die verwendete 50 Hz-Schwingfrequenz der Pumpe mangels
Druckausgleichsbehälter anstelle eines gleichmäßigen einen leicht pulsierenden Waserstrahl
erzeugt, ist dies infolge der erhöhten Massagewirkung des Wasserstrahls auf das
Zahnfleisch nur von Vorteil. Der Schwingmotor kann aber, wie erwähnt, auch für andere
Pumpen, insbesondere Membranpumpen, und zum Versprühen anderer Flüssigkeiten wie
Farben, Haarpflegemitteln usw. verwendet werden.
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Der Schwingmotor nach dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
zeigt den gleichen Schwingkörper, jedoch ein anderes Feldsystem. Der gezeigte Dauermagnet
17 hat zwar auch eine Ringform, jedoch von wesentlich kleinerem Durchmesser. Ein
oberer Polkörper 18, der ebenfalls die Form einer Ringscheibe hat, überragt den
Dauermagneten 17 radial nach außen. Der untere Polkörper 19 hat die Form eines Topfes
und gliedert sich in eine Wand 20 und einen Boden 21 sowie einen zentralen vom Boden
nach innen ragenden Ansatz 22. Dieser Ansatz greift in das Loch des Dauermagneten
17 ein und hält diesen fest. Eine auf den topfförmigen Polkörper 19 aufgesetzte
Kappe 23, die wie das Traggestell 14 nach dem ersten Ausführungsbeispiel aus einem
nicht magnetischen Werkstoff besteht, führt den Schwingkörper am oberen Ende.