DE3203017A1

DE3203017A1 - Elektrisches geraet

Info

Publication number: DE3203017A1
Application number: DE19823203017
Authority: DE
Inventors: Johannes W. van Bloemfontein Orange Free State Niekerk
Original assignee: Niekerk johannes Wvan
Current assignee: Niekerk johannes Wvan
Priority date: 1981-01-30
Filing date: 1982-01-29
Publication date: 1982-08-26
Also published as: IT8247664A0; JPS57149705A; US4884954A; GB2093635A; GB2093635B; IT1150367B; CA1186725A; FR2499329A1; FR2499329B1

Description

Anmelder; Johannes Wilhelmus van Niekerk

3 Bouer Street, Fichard Park Bloemfontein, Orange Free State Südafrika

Elektrisches Gerät

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät, das in erster Linie zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Bewegung geeignet ist.

Die Erfindung schafft ein elektrisches Gerät, das mindestens zwei Spuleneinrichtungen, zur hin- und hergehenden Bewegung zwischen den Spuleneinrichtungen angeordnete Kolben- bzw. Ankereinrichtungen sowie Steuereinrichtungen zur wiederholten und abwechselnden Erregung der Spuleneinrichtungen aufweist, derart, daß das resultierende auf die Kolben- bzw.

Ankereinrichtungen einwirkende elektromagnetische Feld eine hin- und hergehende Bewegung der Kolben- bzw. Ankereinrichtungen gegenüber den Spuleneinrichtungen verursacht. Vorzugsweise besitzen die Spuleneinrichtungen einen Abstand voneinander und sind in axialer Richtung ausgerichtet, während die Kolben- bzw. Ankereinrichtung eine gradlinige axiale Bewegung zwischen den Spuleneinrichtungen ausführt.

Die Länge des Hubes der Kolbeneinrichtung kann begrenzt werden, um sicherzustellen, daß der elektromagnetische Fluß relativ hoch gehalten wird. Daher können die Kolbeneinrichtungen zu allen Zeiten mindestens teilweise innerhalb jeder der Spuleneinrichtungen angeordnet sein.

Wenn beispielsweise die Spuleneinrichtungen gegenseitig beabstandet sind, können die Kolbeneinrichtungen einen ersten und einen zweiten Kern aufweisen, von denen jeder mindestens teilweise in einer der Spuleneinrichtungen angeordnet ist. Jede Spuleneinrichtung kann mindestens eine um einen Spulenkörper angeordnete Spule aufweisen, wobei der Spulenkörper teilweise aus einem magnetischen Material bestehen kann. Um den von der Spule erzeugten Magnetfeldfluß zu vergrößern, können eine oder mehrere zusätzliche Spulen um den Spulenkörper verwendet werden, die derart verbunden sind, daß die entsprechenden Magnetfelder die gleiche Richtung aufweisen. Die Spulen können elektrisch in Reihe, vorzugsweise jedoch parallel geschaltet sein. Die Spule bzw. die Spulen können mindestens teilweise in einem Gehäuse aus einem magnetischen Material eingeschlossen sein. Das Gerät nach der Erfindung kann durch eine mechanische Bewegung der Kolbeneinrichtungen verwendet werden, Elektrizität zu erzeugen. Es ist jedoch auch sehr gut geeignet zur Er-

zeugung einer hin- und hergehenden Bewegung eines gewünschten Hubes und einer ausgewählten Frequenz.

In dieser Form der Erfindung kann das Gerät besonders vorteilhaft zum Antrieb einer hin- und hergehenden Pumpe verwendet werden, beispielsweise einer Bohrlochpumpe, und die Erfindung soll eine Kombination dieser Art umfassen, wobei die Pumpe vorzugsweise mechanisch an dem Gerät befestigt ist, um eine kompakte Einheit zu schaffen.

Ein weiterer in den Bereich der Erfindung fallender Gedanke ist die Verwendung eines oder mehrerer Geräte nach der Erfindung, die in geeigneter Weise zur Erzeugung einer Drehbewegung miteinander verbunden sind. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Kurbel oder einer Kurbelwelle erreicht werden.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Gerätes;

Figur 2 ein Schaltungsdiagramm des Gerätes nach Figur 1 und seiner Steuerschaltung;

Figur 3 unterschiedliche mögliche Anwendungen und 4 des Gerätes nach der Erfindung und

Figur 5 teilweise eine Anordnung zum Verdrängen von Restenergie aus dem Gerät nach der Erf i ndung.

Figur 1 stellt ein erfindungsgemäß ausgestaltetes elektrisches Gerät dar, das zwei axial ausgerichtete und beabstandete Spuleneinrichtungen 10 bzw. 12, einen Kolben bzw. Anker 14 und ein Gehäuse 16 aus einem nichtmagnetischen Material aufweist. Jede Spuleneinrichtung 10, 12 enthält zwei eng gekoppelte Spulen 18 bzw. 20, siehe Figur 2, die elektrisch parallel geschaltet und derart angeordnet sind, daß die Magnetfelder der Spule in die gleiche Richtung zeigen. Die Spulen sind, eine um die andere herum, auf einem Spulenkörper aufgewickelt, der aus einer Messinghülse 22 und einer Eisenhülse 24 besteht. Die Spulen sind magnetisch in einem Gehäuse eingeschlossen, das magnetisch in einem Lager 28 endet, das sich in den Raum innerhalb des Spulenkörpers erstreckt.

Der Kolben 14 enthält zwei Kerne 30 bzw. 32, die mit Hilfe einer Kupplung 34 miteinander verbunden sind, sowie eine Stange 36, die sich durch die Wand des Gehäuses erstreckt. Die Kupplung 34 und die Stange 36 bestehen aus einem nichtmagnetischen Material. Das freie Ende 38 der Stange 36 ist derart ausgebildet, daß es, beispielsweise durch Schrauben, an einem Bauteil befestigt werden kann, beispielsweise am Kolben einer Pumpe oder irgendeinem anderen Gerät. Der Kern 30 ist mindestens teilweise innerhalb der Spuleneinrichtung 10, und der Kern 32 in ähnlicher Weise innerhalb der Spuleneinrichtung 12 angeordnet. Leitungen 40 von den Spulen 18 und 20 gehen durch das Gehäuse 16 hindurch. Die Spulen 18 und 20 sind, siehe Figur 2, mit Hilfe von Relais-Kontakten 42 mit einer Energiequelle P verbindbar.

Eine Spule 44 des Relais wird von einer Quelle V durch ein Paar 46 von Transistoren versorgt, das mit Hilfe

eines Zeitglied-Triggers 48 gesteuert ist. Irgendein geeignetes handelsübliches Gerät oder ein entsprechender Baustein kann als Trigger verwendet werden. Der Zeitschalttrigger 48 dient dazu, das Transistorpaar 46 bei einer gegebenen Frequenz und für vorbestimmte Intervalle anzuschalten. Das Relais wird daher kontinuierlich erregt und abgeschaltet. In dem erstgenannten Fall ist die Spuleneinrichtung 12 angeschaltet» während in dem letztgenannten Fall die Spuleneinrichtung 10 erregt ist. Zu jedem Zeitpunkt ist dann, wenn eine Spuleneinrichtung erregt ist, die jeweils andere Spuleneinrichtung abgeschaltet.

Wenn bei dem Gerät in der Stellung in Figur 1 die Spuleneinrichtung 10 erregt wird, wird der Kern 30 durch die elektromagnetische Kraft in den Mittelabschnitt der Spuleneinrichtung angezogen, wo der Fluß seinen höchsten Wert besitzt. Dann wird die Spuleneinrichtung 12 erregt, und da die Spuleneinrichtung 10 abgeschaltet wird, wird der Kolben 14 nach unten gezogen. Der Vorgang fährt in dieser Art fort, und der Kolben wird kontinuierlich hin- und herbewegt. Die Stange 36 wird daher veranlaßt, die Pumpe anzutreiben, oder wenn die Stange 36 mit einer Kurbel verbunden ist, wird eine Drehbewegung erzeugt. Die Frequenz des Hubes wird unter anderem durch die Hublänge und die Arbeitsfrequenz des Zeitgliedes bestimmt. Die Länge des Hubes ist durch den Abstand zwischen den beiden Spuleneinrichtungen und durch die Länge der Kupplung 34 bestimmt. Das Zeitschaltglied kann mit der Kolbenbewegung synchronisiert werden, wenn dies gewünscht wird, indem das Zeitschaltglied mit der Hilfe von photoelektrischen oder anderen geeigneten elektronischen oder mechanischen Schaltern gesteuert wird. Das Zeitschaltglied, das Transistorpaar 46 und das Relais 44

können, falls dies gewünscht wird, durch einen mechanisch betriebenen Schaltmechanismus ersetzt werden. Zum Beispiel kann der Kolben 14 verwendet werden, um direkt mechanisch betriebene Schalter zu betätigen, die an speziellen Stellen bezüglich des Hubes des Kolbens angeordnet sind und die die Anwendung von Energie aus der Spannungsquelle an die Spulen steuern, um diese abwechselnd zu erregen.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung einer Schleifringanordnung, die, abhängig von der Anwendung des elektrischen Gerätes, veranlaßt werden kann, synchron mit dem Kolben entweder mit einer hin- und hergehenden oder mit einer Drehbewegung sich zu bewegen. In diesem Fall können mit dem Schleifring in Eingriff stehende Bürsten verwendet werden, den Kontakt zwischen der elektrischen Versorgung und den Spulen herzustellen und zu unterbrechen.

Bei einem Gerät dieser Art ist es wichtig, die Wirksamkeit der Umwandlung elektrischer in mechanische Leistung zu optimieren. Der Erfinder erreicht dies, indem er die Hublänge auf etwa 20 % der Länge jeder Spuleneinrichtung begrenzt, wodurch er sicherstellt, daß die Kerne 30 und 32 immer in einem Hochflußbereich liegen, und zusätzlich die Kerne dazu benutzt werden, um Wege niedrigen Widerstandes für den Fluß innerhalb der Spuleneinrichtungen zur Verfügung zu stellen. Das Austreten des Magnetflusses aus jeder Spuleneinrichtung wird durch die Verwendung der kapselnden Gehäuse 26 minimiert. Eine vorteilhafte Abwandlung, die nach Erkenntnissen des Anmelders die Wirksamkeit des Gerätes vergrößert, besteht darin, daß die jeweiligen äußeren Enden der Kerne 30 und 32 eine verjüngte oder konische Form erhalten, wie dies durch gestrichelte Linien dargestellt

ist, und ebenso die entsprechende Formation mit sich verjüngenden oder konischen Ausnehmungen in den Lagern 28, weiche Ausnehmungen die jeweiligen konischen Enden in den Grenzstellungen jedes Hubes aufnehmen. Der genaue Grund für diese Verbesserung ist dem Erfinder noch nicht vollständig klar, scheint jedoch mit einer Verringerung eines Austretens des magnetischen Flusses im Zusammenhang zu stehen.

Die eisernen Hülsen 24 sind innerhalb der Spuleneinrichtungen angeordnet, so daß sie mit den Kernen 30 bzw. 32 in den Grenzstellungen des Kolbenhubes in den abwechselnden Richtungen nicht in Kontakt stehen. Daher stellen die Hülsen Wege mit geringem Widerstand für die mittleren Abschnitte der Spuleneinrichtungen dar und unterstützen die Minimierung von Verlusten.

Ein besonders wichtiges Merkmal unter dem Gesichtspunkt der Wirksamkeit ist die Verwendung der zwei parallel zu der Quelle P geschalteten Spulen 18 und 20 bei jeder Spuleneinrichtung 10, 12. Die zwei Spulen sind magnetisch eng gekoppelt und besitzen daher eine hohe wechselseitige Induktanz. Der Magnetfluß wird dadurch vergrößert, ohne daß ein entsprechender Anstieg in Eingangsleistung auftritt. Beispielsweise hat der Erfinder mit einem kleinen Modell des Gerätes unter Testbedingungen herausgefunden, daß unter Verwendung einer einzelnen Spule in jeder Spuleneinrichtung eine Anhebekraft von 250 g erzielt wurde. Bei der Verwendung zweier wie dargestellt verbundener Spulen in jeder Spuleneinrichtung und mit dem gleichen Energieverbrauch wurde die Anhebekraft auf 310 g erhöht.

Erfindungsgemäß können mehr als zwei Spulen bei jeder Spuleneinrichtung verwendet werden.

Der Erfinder hat weiterhin durch Experimente herausgefunden, daß eine besonders günstige Situation dann auftritt, wenn die Querschnittsbereiche der Leiter in den Spulen 18 und 20 etwa ein Verhältnis von 7 bis 9 : 1, vorzugsweise 8,4 : 1, aufweisen, wobei die Länge der Wicklungen dieser Spulen im Verhältnis von 1 : 1,5 bis 3, vorzugsweise 1 : 2, sind. Eine Spule kann als Innere um die HUlsen 22 und 24 gewickelt werden, wobei die zweite Spule um die innere Spule gewickelt wird. Der Erfinder hat jedoch, wiederum durch Experimente, herausgefunden, daß die Wirksamkeit des Gerätes vergrößert wird, wenn die beiden Wicklungen zusammen gewickelt werden, das heißt, wobei die Leiter Seite an Seite liegen, bis zu der Stelle, an der der kürzere Leiter endet, von welcher Stelle an der längere Leiter um beide schon gewickelten Leiter herumgewickelt wird.

Durch entsprechenden Entwurf kann die Arbeitsgeschwindigkeit in einem Bereich von einigen Hüben pro Minute bis zu einigen Tausend Hüben pro Minute eingestellt werden, und die Hublänge kann über einen sehr weiten Bereich variiert werden. Verluste können auch dadurch verringert werden, daß die Kerne 30 und 32 aus laminiertem Material bestehen. Mit dem bereits angesprochenen Modell wurde eine Wirksamkeit von elektrischer zu mechanischer Umwandlung von mehr als 60 % erreicht. Die möglichen Verwendungen des Gerätes nach der Erfindung sind vielfältig, und Figur 3 und 4 zeigen zwei wichtige Anwendungen. Bei der Anordnung nach Figur 3 ist das nur in Umrissen dargestellte Gerät 80 direkt an einer Kolbenpumpe 60 befestigt. Die Pumpe besitzt ein Gehäuse 62, das an dem Gehäuse 16 des Gerätes 8 befestigt ist,einen Kolben 64, Einwegventile 66 und 68, einen Einlaß 70 sowie einen Auslaß 72.

Die Stange 36 ist an eine Stange 74 des Kolbens angekoppelt. Eine hin- und hergehende Bewegung des Kolbens 14 wird daher direkt auf den Kolben der Pumpe übertragen, der in dem Pumpengehäuse 62 hin- und herbewegt wird. Die Pumpe selbst arbeitet nach im wesentlichen üblichen Prinzipien, jedoch liegen die Vorteile der Kombination darin, daß sie kompakt ist und keine Gelenke zwischen der Pumpe und dem Antrieb aufweist. Dadurch vergrößert sich die gesamte Wirksamkeit, während Kosten reduziert werden, und die Anordnung ist besonders günstig zur Verwendung als eine Eintauchpumpe geeignet.

In Figur 4 ist die Stange 36 des Gerätes 8 mit einer Kurbelwelle 76 verbunden, die in Lagern 78 in einem Gehäuse 80 gelagert ist. Die hin- und hergehende Bewegung des Gerätes 8 wird dadurch in eine drehende Kurbelbewegung übertragen. Zwei oder mehr der Geräte 8, die gemeinsam arbeiten, können mit der Kurbelwelle 76 verbunden werden, um eine kontinuierliche gleichmäßige Drehung zu erzeugen. Jede Stange 36 ist mit der Kurbelwelle mit Hilfe einer Verbindungsstange 82 verbunden.

Das Problem der Spulenentladung wird wichtig, wenn große Leistungsabgaben von dem Gerät erfordert werden. Dies Problem tritt hauptsächlich bei hohen Betriebsgeschwindigkeiten auf, wenn die Spulen abgeschaltet werden und die in ihnen gespeicherte Restenergie beseitigt werden muß. Wenn das Entladen oder die Freigabe dieser Energie nicht in einer gesteuerten Art vor sich geht, können gefährliche und schädigende Funkenerscheinungen auftreten, wenn die Energie sich selbst einen Ausgangsweg sucht, was unter anderem zu nicht akzeptierbaren Temperaturerhöhungen in den Spulen führt. Eine Methode, nach der die Energie aufge-

braucht werden kann, besteht In der Verwendung von freilaufenden Dioden. Eine in Figur 2 und 5 dargestellte andere Methode besteht darin, isolierte Leitungen 90 mit den Spulen 18 und 20 am Ende von beispielsweise jeder zweiten Schicht von Windungen zu verbinden. Die Leitungen 90 werden mit Erde verbunden, um die gespeicherte Restenergie abzuleiten, wenn die entsprechende Spule abgeschaltet wird. Figur 2 zeigt eine Art, nach der dies getan werden kann, wo HiIfskontakte 92 verwendet werden, die durch das Relais betätigt werden, um im geeigneten Augenblick die Leitungen 90 mit Erde zu verbinden. Wenn als Steuergerät kein Relais verwendet wird, um die Quelle P mit den Spulen zu verbinden, und statt dessen ein Schleifring verwendet wird, kann der Schleifring in ähnlicher Weise verwendet werden, um die Spulen an Erde zu entladen, oder es können statt dessen zu diesem Zweck mehrfache Schleifringe verwendet werden. In Abhängigkeit von der Menge an gespeicherter Energie können die Leitungen 90 durch eine einzelne Leitung an Erde, oder vorzugsweise durch getrennte Schalteinrichtungen einzeln an Erde verbunden werden.

Die in Figur 1 dargestellte Anordnung erzeugt eine gradlinige hin- und hergehende Bewegung. Selbstverständlich kann der Entwurf derart abgewandelt werden, wenn dies erforderlich ist, daß der Kolben sich längs eines Bogens bewegt, um eine hin- und hergehende Bewegung längs dieses Bogens zu erzeugen.

Claims

Ansprüche

nJ Elektrisches Gerät (8), dadurch gekennzeichnet , daß es mindestens zwei Spuleneinrichtungen (10, 12), zur hin- und hergehenden Bewegung zwischen den Spuleneinrichtungen (10, 12) angeordnete Kolbeneinrichtungen (14) sowie Steuereinrichtungen (44, 46, 48) zum wiederholten und abwechselnden Erregen der Spuleneinrichtungen (10, 12) aufweist, derart, daß das auf die Kolbeneinrichtungen (14) einwirkende resultierende elektromagnetische Feld eine hin- und hergehende Bewegung der Kolbeneinrichtungen (14) gegenüber den Spuleneinrichtungen (10, 12) verursacht.
2. Gerat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spuleneinrichtung (10, 12) einen Spulenkörper (22, 24) und mindestens zwei auf den Spulenkörper (22, 24) aufgewickelte und parallel zueinander geschaltete Spulen (18, 20), und die Kolbeneinrichtung (14) erste und zweite Kerne (30, 32) aufweist, wobei jeder Kern (30, 32) mindestens teilweise in einem der Spulenkörper (22, 24) angeordnet ist.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Windungen der Spulen (18, 20) das Verhältnis von 1 : 1,5 bis 3 aufweisen.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet^ daß das Verhältnis 1 : 2 ist.
5. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander entfernten Enden der Kerne (30, 32) sich verjüngen.
6. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch synchronisiert mit den Steuereinrichtungen (44, 46, 48) betätigbare Einrichtungen (90, 92) zum Entladen von in den Spulen (18, 20) bei deren Abschaltung gespeicherter Restenergie aus jeder der Spulen (18, 20) jeder der Spuleneinrichtungen (10, 12).
7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Kolbenpumpe (60) kombiniert ist, wobei die Pumpe (60) und das elektrische Gerät (8) aneinander befestigt sind und die Kolbeneinrichtungen (14) mit dem Kolben (64) verbunden sind, um diesem die hin- und hergehende

Bewegung zu übertragen.
8. Kombination, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein elektrisches Gerät (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, eine Kurbelwelle (76) und Einrichtungen (82) aufweist, die die Kolbeneinrichtungen (14) jedes entsprechenden elektrischen Gerätes (8) mit der Kurbelwelle (76) verbinden, wodurch die hin- und hergehende Bewegung der Kolbeneinrichtungen (14) in eine Drehbewegung der Kurbelwelle (76) umgesetzt wird.