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Elektromagnetische Erregervorrichtung zum Erzeugen insbesondere hochfrequenter
mechanischer Schwingungen Die bisher verwendeten Schwingungserreger für hochfrequente
mechanische Schwingungen sind, wenn sie erhebliche Kraftwirkungen erzeugen und ihre
Schwingungen beliebig veränderlich sein sollen, deswegen umständlich und teuer,
weil hierfür stets ein Hochfrequenz-Wechselstromumfqrmer notwendig ist. Nur hierdurch
ließ sich praktisch bisher die gewünschte Regelung der Schwingungen, namentlich
der Frequenzen, erreichen. Handelt es sich um die Erzeugung großer Kräfte (bzw.
Momente), so ergeben sich sehr beträchtliche Wechselstromleistungen und recht teure
Umformersätze.
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Es ist zwar bereits vorgeschlagen worden, den in Schwingungen zu versetzenden
Teil mit einem Magnetanker zu verbinden, der wechselweise unter den Einfluß der
gegeneinander versetzten Pole synchron umlaufender Polräder gelangt; jedoch entstehen
bei diesen bekannten Vorrichtungen Luftwege von so erheblicher Länge in den Magnetkreisen,
daß die Vorrichtung nur kleine Kraftwirkungen zu entwickeln vermag.
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Um diesen Übelstand zu beseitigen und damit den Schwingungserreger
auch für große Kraftwirkungen verwendbar zu machen, wird gemäß der Erfindung der
von feststehenden Gleichstrom-Erregermagneten erzeugte Magnetfluß durch- die lamellierten
Polschuhe derart von den zahnradartig ausgebildeten Polrädern im Takte des Polwechsels
gesteuert, daß er sich wechselweise über demjenigen Pol der Polräder schließt, der
jeweils vor dem Anker steht. Hierdurch, insbesondere auch durch die Verwendung feststehender
Erregermagnete, wird ferner erreicht, daß eine Schwächung des Magnetflusses durch
Induktionswirkung vollständig vermieden wird. Auch damit erhöht sich die Kraftwirkung
des Schwingungserregers. Dabei bleibt der Vorteil der Polraderreger voll bestehen,
die Schwingungszahl nicht nur entsprechend der Drehzahl der Polräder, sondern auch
der verwendeten Zahl der Polzähne entsprechend in weiten Grenzen wählen zu können.
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Die Vorrichtung kann zur Erregung von mechanischen Schwingungen für
jeden beliebigen Anwendungszweck dienen. Sollen Drehschwingungen erzeugt werden,
so erhält zweckmäßig der als Radteil ausgebildete und mit Polzähnen versehene Anker
eine Achse, die senkrecht zur Achse der Polräder steht und sie rechtwinklig schneidet.
Hierbei wird vorteilhaft der Anker so ausgebildet, daß er von der Polradachse durchdrungen
wird. Zur Erzeugung von Schwingungen in der Längsrichtung der Polradachse wird zweckmäßig
im Luftspalt zwischen den Polrädern ein Anker angeordnet, dessen Polzahl derjenigen
der Polräder entspricht.
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Diese soeben behandelten Anwendungsfälle sind im folgenden als Beispiel
in Anwendung auf die Prüfung von Körpern bzw. ganzen Bauteilen
auf
Ermüdungsbeanspruchung an Hand der Zeichnung ausführlicher beschrieben.
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Die Abb. i bis 3 stellen eine Vorrichtung zur Prüfung von Kurbelwellen
dar, die durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung in rasche Drehschwingungen versetzt
werden, und zwar zeigt Abb. i die Vorrichtung im Grundriß und Teilschnitt, während
Abb. 2 und 3 Schnitte nach a-b bzw. c-d der Abb. i veranschaulichen.
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In ähnlicher Weise zeigen die Abb. 4 bis 6 eine Vorrichtung zur dynamischen
Zugdruckprüfung von Baustoffen im Grundriß bzw. in Teilansicht und Schnitt nach
e-f der Abb. 4.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i bis 3 dient zum Antrieb ein
üblicher Gleichstromregelmotor io, der zweckmäßig über eine elastische Kupplung
ii eine Welle 12 antreibt, auf welcher zwei Polräder 13, 14 sitzen. Die die Pole
13', 14' tragenden Seiten dieser Radei stehen in einigem axialen Abstand einander
gegenüber, und zwar liegen die Pole, die zweckmäßig lamelliert sind, um eine halbe
Teilung versetzt zueinander, derart, daß dem Po113' bzw. 14' axial gegenüber ein
Zahn 14" bzw. 13" der Räder 14, 13 steht, der aus nichtmagnetischem Baustoff, z.
B. aus Bronze, besteht.
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In dem Luftspalt zwischen den Polrädern 13, 14 befindet sich der als
Anker dienende Körper 15, der mit dem in Schwingungen zu versetzenden Körper, also
in dem Ausführungsbeispiel mit einer auf Torsionsschwingungen zu untersuchenden
Kurbelwelle 16, in Verbindung steht, die zweckmäßig in ihrem eigenen Gehäuse 17
gelagert ist.
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In diesem zur Erzeugung von Drehschwingungen dienenden Ausführungsbeispiel
besitzt der Anker 15 .vier Polzähne 15', die paarweise oberhalb bzw. unterhalb der
Welle 15" liegen, um deren Achse der Anker schwingt und die senkrecht zu . der Achse
der Welle 12 steht, welche den Ankerkörper durchdringt.
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Der Magnetfluß wird von einem oder, wie dargestellt, zweckmäßig von
mehreren Feldmagneten 18 erzeugt, deren Erregerspulen über die Pole ig' eines ortsfesten
Joches ig geschoben sind. Jedem Ankerpol 15' steht ein Feldpol ig' gegenüber (vgl.
die Abb. 2 und 3). Hierbei sind die einzelnen Pole ig' des Feldgehäuses ig durch
unmagnetische Zwischenlagen ig" voneinander getrennt. Auf diese Weise gehören zu
jedem durch die Magnetwicklung 18 erzeugten Magnetfluß zwei magnetische Kreise,
deren Stärke im Betrieb stetig wechselt. Den magnetischen Kreisen sind die ortsfesten
Erregerpole ig und der ihm gegenüberstehende Ankerpol 15 gemeinsam, während der
Magnetfluß im übrigen wechselweise über demjenigen Pol 13' bzw. 14' der Polräder
13 bzw. 14 geschlossen wird, der jeweils vor dem Ankerpol 15' steht.
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Die Prüfung auf Torsionsschwingungen kann, wie in dem Ausführungsbeispiel
dargestellt, in der Weise erfolgen, daß die von dem Anker 15 erzeugten Kräfte mittels
seiner Welle 15"' ein Drehschwingungssystem erregen, welches einen Federstab 2o
und den mit der Welle 15"' verbundenen Prüfkörper (die Kurbelwelle 16 o. dgl.) enthält,
dessen anderes Ende frei drehbar am Gehäuse 17 gelagert ist. Der an seinem einen
Ende fest eingespannte Federstab 2o bildet zweckmäßig jeweils mit dem Anker des
Erregers an sich ein Schwingungssystem, das sich in Resonanz mit der Betriebsdrehzahl
befindet, so daß die Massenkräfte des erregenden Ankers ausgeglichen sind.
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Die Arbeitsweise ist folgende.
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Steht bei Betriebsbeginn z. B. ein Zahn 13' des Polrades 13 mit seiner
vollen Fläche dem Polzahn 15' des Ankers 15 gegenüber, so schließt sich der gesamte
Magnetfluß des durch die Feldwicklung 18 erzeugten Magnetkreises über diesen Zahn
15', während über das .Polrad z4 kein Magnetfluß läuft, da hier der Ankerpol 15'
nichtmagnetisierbarem Material gegenübersteht. In diesem Augenblick wird also der
Anker 15 nach dem Polrad 13 hinübergezogen. Haben sich die Polräder 13, 14 um eine
halbe Zahnteilung weitergedreht, so steht der Zahn 14 des Polrades 14 mit seiner
vollen Fläche vor dem Ankerpolzahn 15'. Der Anker 15 wird also mit voller Kraft
nach dem Polrad 14 gezogen. Zwischen diesen beiden Grenzlagen ändert sich die magnetische
Kraft mit dem Drehwinkel etwa sinusförmig. Die Taktzahl der Erregung ergibt sich
aus dem Produkt der Zähnezahl und der Drehzahl des Polrades.
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Durch die erläuterte eigenartige Verzweigung des Magnetflusses wird
erreicht, daß der Gesamtfluß, der die Erregerspule durchdringt, stets gleich bleibt,
so daß sich in der Erregerspule keine Vorgänge abspielen, welche auf eine Änderung
des Magnetflusses hinwirken und im Betrieb Schwierigkeiten verursachen könnten.
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Bei der in* Abb. 4 bis 6 dargestellten Zugdruckprüfmaschine besitzt
der Anker 21 ebensoviel lamellierte Zähne 2i' wie jedes der Polräder 22, 23, die
von einem beliebig regelbaren Motor 24 in Drehung versetzt werden. Auch hier befindet
sich der Anker 21 in dem Luftspalt dieser mit den Zahnseiten einander zugekehrten
Polräder 22, 23. Der Zugkörper 25 des Ankers 21, der mit dem Prüfstab 26 in Verbindung
steht, ist in dem Ausführungsbeispiel durch die hohle Polradwelle 23' hindurchgeführt.
Zweckmäßig ist in an sich bekannter Weise dieser Zugkörper 25 an seinem einen Ende
mit einer Rohrfeder 27 verbunden, die bei 27' ortsfest eingespannt ist, . derart,
daß die Eigenschwingungszahl des Schwingungsgebildes
gleich oder
höher liegt als die Betriebsfrequenz. Deg Prüfstab ist in üblicher Weise mit seinem
anderen Ende in einer Gegenmasse 28 eingespannt.
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Da, wie besonders aus Abb. 5 hervorgeht, die Zähne 22', 23' der Polräder
22, 23 versetzt zueinander angeordnet sind, so werden die Zähne 21' des Ankerkörpers
21 im Betrieb bei Drehung der Polräder 22, 23 bald nach dem einen, bald nach dem
anderen dieser Räder hin angezogen. Es entstehen Schwingungen in der Achsenrichtung
des Prüfstabes, die bei geeigneter Drehzahl der Polräder in Resonanz mit der Eigenschwingungszahl
des gesamten Schwingungsgebildes erfolgen können. Besitzt jedes Polrad, wie dargestellt,
2o Zähne, und beträgt die Drehzahl 3 ooo/min, so wird eine Schwingungszahl von 6o
ooo/min erreicht, ohne daß, wie bisher, irgendein Umformersatz notwendig wird.
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Wie ersichtlich, ist die Schwingungserregung nicht auf die Anwendung
bei Dauerprüfmaschinen beschränkt, sondern für jeden Anwendungszweck brauchbar.