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Schwingmaschine mit Magnetantrieb
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwingmaschine, insbesondere
Schwingherd,umfassend wenigstens eine Schwingmasse, die mit einem Schwingantrieb
zur Erzeugung einer gerichteten Schwingung ausgerüstet ist.
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Derartige Schwingmaschinen finden in der sortierenden Aufbereitung
von Erz- und Kohleschlämmen Anwendung, beispielsweise bei der Abtrennung des Pyritanteiles
von Kohle, um deren Schwefelanteil zu verringern.
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Es ist allgemein bekannt, derartige Maschinen zur Erzeugung einer
Schwingbewegung mit Exzenterscheiben oder auch rotierenden Unwuchtmassen auszurüsten.
Ebenfalls bekannt sind Kurbelwellen mit Hebelsystemen, mittels welchen eine Schwingmasse
in die gewünschte Schwingbewegung versetzt wird.(GB-PS 428,583).
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Bei derartigen Schwingantrieben wird im allgemeinen eine rotierende
Bewegung unter Zwischenschaltung entsprechender Getriebe in eine oszillierende Bewegung
umgeformt, so daß sich große, sperrige und auch teure Konstruktionen ergeben. Hinzu
kommt, daß der Steuerbarkeit der Schwingbewegungen, an welche
beispielsweise
bei Schwingherden zur Erzielung bestimmter Bewegungsverhältnisse aus verfahrenstechnischen
Gründen hohe Anforderungen gestellt werden, Grenzen gesetzt sind.
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Auch pneumatische und hydraulische Schwingantriebe können diesen Anforderungen
nicht in vollem Umfang nachkommen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen einfachen und wirtschaftlichen
Schwingantrieb für derartige Maschinen zu schaffen, welcher eine optimale Steuerbarkeit
der eine Schwingbewegung kennzeichnenden Parameter ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Schwingantrieb ein unmittelbar
geradlinige Bewegungen erzeugender elektromagnetischer Antrieb ist, der mit wenigstens
einer Schwingmasse in Wirkverbindung steht. Bei einem derartigen Antrieb können
zur Steuerung der Schwingung unmittelbar elektrische Größen wie Spannungen, Ströme
und Frequenzen geändert werden, wobei der Raumbedarf für zugehörige Steuereinrichtungen,
insbesondere bei einer Verwendung von Halbleiterbauteilen sehr klein gehalten werden
kann. Gleichzeitig entfallen konstruktiv aufwendige Getriebe zur Erzeugung einer
oszillierenden Bewegung. Es können beliebige elektromagnetische Antriebe zur Anwendung
kommen, welche in irgendeiner Weise von den mechanischen Kraftwirkungen
eines
magnetischen Feldes Gebrauch machen und dabei unmittelbar eine oszillierende geradlinige
Bewegung hervorbringen.
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Diese mechanischen Kraftwirkungen können beispielsweise die auf einen
ferromagnetischen Körper in einem inhomogenen Magnetfeld ausgeübten Kräfte sein,
wobei durch Umkehr der magnetischen Polarität eine einfache Richtungsumkehr erfolgen
und über eine Beeinflussung der magnetischen Feldstärke und deren zeitlichen Verlaufes
ein beliebig vorgebbarer Weg-Zeit-Plan der Schwingbewegung realisierbar ist. Diese
mechanischen Kraftwirkungen können jedoch auch auf den, auf einen stromdurchflossenen
Leiter in einem Magnetfeld ausgeübten Kräfte beruhen, sei es daß der Strom in den
Leiter direkt eingespeist wird, sei es, daß er aufgrund einer induktiven Kopplung
über ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingantrieb ein Magnetantrieb,
bestehend aus einem Stator, welcher wenigstens eine Erregerwicklung trägt, einem
relativ zum Stator beweglichen Anker, sowie einer Steuerungseinheit.
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Der Antrieb kann vorteilhaft mit nur einer Erregerwicklung ausgertistet
sein, deren magnetische Erregung zur Richtungsumkehr der Schwingbewegung umgekehrt
wird, ein Vorgang, der über die Steuerungseinheit nach einem genau vorgebbaren Zeitplan
ablaufen
kann. Es können jedoch auch mehrere Erregerwicklungen, insbesondere bei großen Schwingungsamplituden
vorgesehen sein, welche nacheinander eingeschaltet und zur Richtungsumkehr nacheinander
umgeschaltet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt
der Stator wenigstens zwei Erregerwicklungen, deren magnetische Polaritäten einander
entgegengesetzt gerichtet sind. Mittels zwei Erregerwicklungen, welche einander
entgegengesetzte magnetische Polaritäten aufweisen, kann die Richtungsumkehr der
Schwingbewegung durch zyklisches Ein- und Ausschalten von jeweils einer der beiden
Erregerwicklungen erzielt werden. Diese Ausgestaltung kommt insbesondere bei großen
Schwingmaschinen in Betracht, da in diesem Fall die Erregerwicklungen lediglich
zwischen den Grenzzuständen magnetisiert und "nicht magnetisiert" betrieben werden
und demzufolge einer geringeren thermischen Belastung ausgesetzt sind. Es können
auch bei dieser Ausgestaltung zur wirtschaftlichen Erzielung großer Schwingungsamplituden
vorteilhaft mehrere derartige Wicklungssysteme, bestehend aus jeweils zwei gegensinnig
erregbaren Wicklungen längs eines Verschiebeweges angeordnet sein, welche Jeweils
zyklisch nacheinander ein- bzw. ausgeschaltet werden.
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Mit zwei Erregerwicklungen unterschiedlicher magnetischer Polarität
können jedoch auch die Steuerungsmöglichkeiten der Schwingbewegung erheblich verfeinert
werden, indem beispielsweise eine Erregerwicklung lediglich bremsend wirkt und zu
diesem Zweck im Verhältnis zu der anderen Erregerwicklung schwächer erregt ist.
Auf diese Weise kann eine sehr genaue Geschwindigkeit- und Wegregelung erzielt werden.
Bei Anordnung mehrerer Erregerwicklungen bestehen somit durch einfache schaltungstechnische
Maßnahmen zahlreiche funktionelle Variationsmöglichkeiten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuerungseinheit
mit einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einer Kondensatorenbatterie
ausgerüstet, welcher den Energiefluß in die Erregerwicklung unterstützt und dessen
Auf-und Entladung selbsttätig im Takt der Schwingung erfolgt.
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Diese Maßnahme dient der Beschleunigung des Magnetfeldauf-und -abbaues
bzw. der Magnetfeldumkehr, wobei gleichzeitig Abschaltüberspannungen der Erregerwicklungen
aufgrund deren Selbstinduktion reduziert werden.
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Auf diese Weise läßt sich ein schneller Richtungswechsel erzielen
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltzeiten der Erregerwicklungen einander zeitlich
überlappen. Dieses Verfahrensmerkmal ermöglicht in einfacher Weise eine Verfeinerung
der Steuerungsmöglichkeiten, insbesondere -bei der Abbremsung im Bereich der Richtungsumkehr
des Weges einer Schwingmasse und ist bei beliebigen Erregerwicklungsanordnungen
durch einfache schaltungstechnische Maßnahmen, beispielsweise durch eine entsprechende
zeitliche Verschiebung der Einschaltzeitpunkte der einzelnen Erregerwicklungen erreichbar.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden,
in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel: Es zeigen: Fig. 1 eine stark
vereinfacht dargestellte, aus zwei Schwingmassen bestehende Schwingmaschine; Fig.
2 einen erfindungsgemäßen Schwingantrieb; Fig. 3 eine Prinzipschaltskizze der Steuerungseinheit
des erfindungsgemäßen Schwingantriebes.
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Fig. 1 zeigt zwei Schwingmassen 1 und 2, welche jeweils über zwei
Hebel 3 und 4 an ortsfesten Aufhängepunkten 5 und 6 so befestigt sind, daß eine
Pendelbewegung um diese Aufhängepunkte ungefähr in Richtung der Pfeile 7 möglich
ist. Die Schwingmassen 1 und 2 weisen in Richtung der Pendelbewegung eine elastische
Abstützung 8 gegeneinander auf und stehen darüber hinaus über einen Anker 9 eines
elektromagnetischen Schwingantriebes 10 in Verbindung. Der Anker 9 ist auf seinem
dem Schwingantrieb 10 abgekehrten Ende an einem Befestigungselement 11 der Schwingmasse
1 angebracht. Der Schwingantrieb 10 ist über zeichnerisch nicht näher dargestellte
Halteelemente 12 an der Schwingmasse 2 befestigt.
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Mit Pos. 13 ist eine Leitungsgruppe bezeichnet, welche den Schwingantrieb
10 mit einer Steuerungseinheit 14 verbindet und der Steuerung und der Energieübertragung
dient.
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Im Betrieb der Schwingmaschine führt der Anker relativ zum Schwingantrieb
10 oszillierende Bewegungen in Richtung der Pfeile 7 aus, wobei die elastische Abstützung
8 gegenüber einer Nullage abwechselnd gedehnt und gestaucht wird. Die elastische
Abstützung gibt auf diese Weise die in ihr ges-peicherte elastische Energie an die
sich gegenphasig bewegenden Schwingmassen ab, bzw. nimmt Energie auf, so daß bei
dieser
Anordnung über den Schwingantrieb nur der Energiebedarf
für die Transportarbeit des aufzubereitenden bzw. zu fördernden Gutes und für die
Kompensation von Reibungsverlusten aufgebracht werden muß.
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Fig. 2 zeigt den Schwingantrieb 10 in vergrößerter Darstellung im
Schnitt. Er besteht aus einem zylindrischen Hohlkörper 15, dem Stator 15der an beiden
Stirnseiten zentrale Öffnungen 16 und 17, welche der Führung und radialen Abstützung
des Ankers 9 dienen, aufweist. Der Anker 9 ist an seinem einen Ende mit einer stabförmiges
Verlängerung 18 ausgerdstet, welche einen ferromagnetischen Körper 19 trägt, mit
dessen Hilfe über zwei Magnetschalter 20 und 21 der Weg des Ankers 9 in Richtung
der Pfeile 7 begrenzt wird. Der Anker 9 trägt an seinem anderen Ende ein Gelenk
22, mit welchem er an einer Schwingmasse befestigt werden kann. Der Stator 15 ist
mit vereinfacht dargestellten HalteeIementen 23 und 24 ausgerdstet.
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Man erkennt ferner zwei Erregerwicklungen 25 und 26, weiche in geeigneter
Weise im Inneren des Stators 15 angebracht sind.
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Die Erregerwicklungen stehen ebenso wie die Magnetschalter 20 und
21 über die iieitungsgruppe 13 mit der Steuerungseinrichtung 14 in Verbindung. Die
Pfeile 27 und 28 deuten an, daß im
eingeschalteten Zustand die
magnetischen Erregungen der Wicklungen 25 und 26 einander entgegengesetzt gerichtet
sind.
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Demzufolge wird zur Einleitung einer Bewegung des Ankers 9 in Richtung
des Pfeiles 28 nur die Erregerwicklung 26 aktiviert, während die Erregerwicklung
25 stromlos bleibt und umgekehrt.
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Grundsätzlich ist jedoch eine Erregerwicklung ausreichend, deren Stromrichtung
zyklisch im Takt der Schwingbewegung umgekehrt werden kann.
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Der erfindungsgemäße Schwingantrieb bringt unmittelbar eine oszillierende
Bewegung hervor und kann durch eine zweckentsprechende Dimensionierung der Erregerwicklungen
und eine Wahl geeigneter, magnetisch hoch suszeptibler Ankerwerkstoffe sehr raumsparend
gebaut werden.
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Fig. 3 zeigt die wesentlichen elektrischen Funktionselemente der Steuerungseinheit
14, welche beispielhaft für die beiden Erregerwicklungen 25 und 26 gemäß Fig. 2
gezeigt ist.
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Mit Pos. 29 ist schematisch eine Netzversorgung bezeichnet, welche
mit zwei Regeltransformatoren 30 und 31 in Verbindung steht. Die von den Regeltransformatoren
abgezweigte Wechselspannung wird in Thyristorbrücken 32 und 33 gleichgerichtet und
den Erregerwicklungen 25 und 26 zugeleitet.
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Die Thyristorbrücken 32 und 33 sind jeweils mit zwei Thyristoren 34
und 35 ausgerüstet, so daß der von ihnen abgezweigte, gleichgerichtete Wechselstrom
durch Ansteuerung dieser Thyristoren zu beliebigen Zeitpunkten gesperrt werden kann.
Dieser Ansteuerung der Thyristoren 34 und 35 dienen Impulstransformatoren 36 und
37, welche ihrerseits durch einen Zeitgeber 38 nach einem vorgebbaren Zeitplan aktiviert
werden. Mittels dieses Zeitgebers 38 werden die Erregerwicklungen 25 und 26 durch
"Zündung bzw. Löschung der Thyristoren zu vorgebbaren Zeitpunkten ein- bzw. ausgeschaltet,
wobei die Einschaltzeiten der Erregerwicklungen 25 und 26 aufeinander folgen, bzw.
einander überlappen können.
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Mittels des Zeitgebers 38 und der Thyristorenbrücken 32 und 33 kann
selbstverständlich nicht nur der Ein- und Ausschaltzeitpunkt der an den Erregerwicklungen
25 und 26 anliegenden Gleichspannung, sondern auch deren Höhe gesteuert werden.
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Die Thyristorbrücken 32 und 33 weisen entsprechend der gegensinnigen
magnetischen Erregungen (Pfeile 27, 28) der Erregerwicklungen 25 und 26 eine unterschiedliche
elektrische Polarität auf. Demzufolge wird eine parallel zu beiden Erregerwicklunge
geschaltete Kondensatorenbatterie zyklisch im Takt der Schwingbewegung aufgeladen
bzw. entladen, wobei aufgrund der
entgegengesetzten elektrischen
Polaritäten der Thyristorbrücken 32, 33 die Kondensatorenbatterie den Energiefluß
in eine Erregerwicklung zunächst unterstützt, sich dabei entlädt und anschließend
eine Aufladung mit umgekehrter elektrischer Polarität erfährt. Dabei verhindern
Leistungsdioden 40 und 41 eine Entladung der Kondensatorenbatterie 39 über die Erregerwicklungen
2b und 2 jeweils während deren Abschaltphase.
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Über den Zeitgeber 38 kann die Frequenz der Schwingung, mittels einer
Veränderung der Einstellung der Regeltransformatoren 30 und 31bzw. über die an den
Erregerwicklungen 25 und 26 anliegende Spannung die vom Schwingantrie abgegebene
Kraft verändert werden. Es besteht ferner die Möglichkeit, durch unterschiedliche
Spannungen an den Erregerwicklungen 25 und 26 bestimmte Bewegungsverbältnisse der
Schwingmassen zu erzeugen, beispielsweise unterschiedliche Vorwärts- und RUckwärtsgeschwindigkeiten.
Dieses erfindungsgemäße Konzept einer Steuerung für einen elektromagnetischen Schwingantrieb
kann entsprechend auch bei Systemen mit nur einer Erregerwicklung angewandt werden1
beziehungsweise dann, wenn zur wirtschaftlichen Erzielung großer Schwingamplituden
mehrere Spulen hintereinander angeordnet sind.
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Über die Thyristorbrücken 32 und 33 kann auch eine durch eine Temperaturänderung
der Erregerwicklungen 25, 26 bedingte Änderung der magnetischn Kraft kompensiert
werden.
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Die wesentlichen elektrischen Bauteile der in Fig.3 dargestellten
Prinzipschaltskizze bei einem Schwingherd mit einem Durchsatz von 5 t/h können sein:
(a) Pos. 32,33: je zwei 40 A Leistungsthyritoren ( 1600 V Spitzensperrspannung)
1 je zwei 40 A Leistungsdioden ( 1600 V Spitzensperrspannung) (b) Pos.40t41: jeweils
eine 45 A Leistungsdiode ( 1600 V Spitzensperrspannung) (c) Pos. 30,31: je ein Spartranformator
mit 1,9 kVA und ein Transformator mit 2 kVA Scheinleistung (d) Pos. 25,26: Cu-Lackdraht,
Durchmesser 5 mm, 0,31£L (e) Pos. 39 t jeweils Kondensatoren à 4700 µF pro Erregerwicklung