DE571330C - Einrichtung zur Erzeugung pulsierender Stroeme zur Speisung von elektromagnetischen Motoren mit hin und her gehendem Anker - Google Patents

Description

Die Erfindung· betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung pulsierender Ströme zur Speisung von Magnetmotoren mit hin und her beweglichem Anker zum Antrieb von Arbeitsmaschinen, wie Pumpen, Vibrationswerkzeugen, Bohrern für Stein oder andere Materialien, Meißeln, Hämmern o. dgl. Diese Magnetmotoren besitzen eine oder mehrere Magnetspulen, in deren magnetischem Feld sich der Anker oder Kolben des Motors unter dem Einfluß des in den Spulen pulsierenden, elektrischen Stromes hin und her bewegt.

Um dies pulsierende Magnetfeld zu erzeugen, hat man vielfach Wechselstrom benutzt und dabei verschiedene Schaltungen versucht. Da die Geschwindigkeit derartiger Motoren jedoch von der Periodenzahl des Wechselstromes abhängig ist und ein Motor für Wechselstrom von z. B. 50 Perioden mit .20 3000 Schlägen pro Minute arbeitet, ist die Verwendung solcher Motoren nicht auf allen Anwendungsgebieten möglich oder wünschenswert. Die für den Motor erwünschte Geschwindigkeit kann leichter erreicht werden, wenn ein Motor nach der Erfindung zur Verwendung kommt.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß die Magnetspulen des Motors mit einem oder mehreren Kondensatoren- in Reihe geschaltet sind, die mit Hilfe eines Umschalters über beide Magnetspulen sowohl geladen als auch entladen werden und so bemessen, sind, daß die Dauer einer halben Periode der Eigenschwingungszeit des Schwingungskreises etwa ebenso groß ist wie die Dauer des Einschaltens des die Schlagzahl des Motors zum Teil bestimmenden Umschalters.

Zugrunde liegt dieser Erfindung die bekannte Tatsache, daß in einem Stromkreis, welcher Selbstinduktion, Kapazität und Ohmsehen Widerstand enthält und an eine Stromquelle angeschlossen wird, ein Wechselstrom mit abnehmender Amplitude erzeugt wird. Die Periodenzahl dieses Wechselstroms ist von den Abmessungen der erwähnten Größen abhängig und kann durch die bekannte Formel berechnet werden:

F-.

ι/"

Y CL

zL

Falls z. B. die Kapazität im Stromkreis vermindert oder vergrößert wird, so vergrößert oder vermindert sich die Periodenzahl ungefähr umgekehrt proportional zu der Quadratwurzel aus der Kapazität bei kleinem Ohmschen Widerstand. Dies ist auch das Verhältnis bei Veränderung der Selbstinduktion.

Wenn ein Kondensator geladen oder entladen wird, so findet dies unter einer abnehmenden Amplitude des Stromes statt (s. Abb. 7). Um die Energiemenge effektiv

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auszunutzen, darf nur die erste Halbwelle in dem Spulenkreis entstehen, und der Umschalter muß daher den Kondensatorkreis im Punkte P öffnen. Die Dauer des Einschaltens des Umschalters ist gleich der Zeit t. Wenn der Kondensator wieder mit dem Stromkreis durch den Umschalter verbunden ist, wird der Strom umgeschaltet (s. Abb. 8), wo die Verbindung nach einer weiteren Zeit t im to Punkte P geöffnet wird. Es könnte daher erwartet werden, daß die Ladungs- und Entladungsströme im Stromkreis die in Abb. 9 gezeigte Form erhalten, was aber nicht der Fall ist, weil eine gewisse Zeit beim Umschalten verlorengeht. Die Bürsten des Kommutators haben eine meßbare Breite und brauchen Zeit, um von einer Lamelle zu der anderen zu gelangen. Anderseits soll der Kapazitätsstrom nicht ausgeschaltet werden, bevor er Null geworden ist, um Funken zu vermeiden und die beste Wirkung- zu erhalten. Eine gewisse Zeit wird also verlorengehen, ehe der Kondensator mit dem Stromkreis wieder verbunden ist und eine in Abb. 10 gezeigte Kurvenform entsteht. Zwischen jeder Ladung und Entladung entsteht eine Pause t_v welche je nach der Konstruktion des Umschalters verschieden groß sein kann. Die natürliche Periodenzahl des durch die erwähnte Anordnung gegebenen Schwingungskreises ist von der Zeit t bestimmt, die Schlagzahl des Motors aber von der Zeit t -j- t_v Die Dauer einer halben Periode der natürlichen Periodenzahl des Schwingungskreises ist t. Diese Dauer soll etwa gleich der Dauer des Einschaltens des die Schlagzahl des Motors bestimmenden Umschalters sein.

Bei Schlagwerkzeugen mit hin und her beweglichem Anker ist es zweckmäßig, eine verhältnismäßig große Kraft während des Vorwärts- oder Arbeitsschlages und eine kleinere Kraft während des Rückwärtsschlages des Kolbens zu erhalten. Dabei kann die Zeit für den Arbeitsschlag auch wesentlich kürzer werden als die Zeit für den Rückwärtsschlag. Das ist der Fall in Abb. 11, wo zwei Magnetspulen verwendet werden, die eine für den Arbeitsschlag und die andere für den Rückwärtsschlag. Das in Abb. 11 gezeigte Diagramm wird erhalten, wenn die beiden Spulen für verschiedene Rückwirkung dienen sollen und entweder die Induktivität oder die Kapazität in den beiden Kreisen verschieden groß ist. Nach der obenerwähnten Formel wird dann die natürliche Periodenzahl für die beiden Kreise verschieden, und die Zeit t (oder t + i₃) für einen Arbeitsschlag kann kurzer als die Zeit i₀ (oder t₀ + i₄) für den Rückwärtsschlag des Kolbens sein. Falls derselbe Kondensator für die beiden Kreise verwendet wird, ist die verbrauchte Energie während des Ladens und des Entladens dieselbe; die von der für den Arbeitsschlag (Abb. 11) eingeschlossene Fläche A ist also ebenso groß wie die von der Rückschlagkurve eingeschlossene Fläche A₀. Falls anderseits ein Kondensator für jede Spule angeord-' net ist, ist das Verhältnis zwischen den Flächen A und A₀ beliebig. In diesem letzten Falle kann die Fache A₀ kleiner als die Flächet gemacht werden, was für die Wirkung des Werkzeugs von großer Bedeutung ist, da das Werkzeug während des Rückwärtsschlages dann weniger Energie braucht als während des Arbeitsschlages. Neben der Arbeitsersparnis ergibt sich, daß das Werkzeug beim Rückschlag weniger beansprucht wird.

Es sind zwar schon ähnliche elektromagnetische Einrichtungen, bei denen Kondensatoren mit Magnetspulen in Reihe geschaltet sind, bei elektrischen Hupen bekanntgeworden. Diese sind aber mit der Erfindung nicht zu vergleichen, da sie einerseits nicht als elektromagnetische Motoren verwendet werden, also nicht zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische dienen, sondern von elektrischer Energie in akustische. Anderseits wird dort die Stromquelle nur während einer Halbperiode an den aus Magnetspule und Kondensator bestehenden Stromkreis angeschlossen, worauf während der folgenden Halbperiode dieser Kreis vom Umschalter geschlossen wird und der Kondensator sich durch die Magnetspule entladet. Bei der vorliegenden Erfindung wird der aus Magnetspule und Kondensator zusammengesetzte Stromkreis aber während der beiden Halbperioden an die Stromquelle angeschlossen, wobei die von der vorhergehenden Halbperiode rückständige Kondensatorladung zur Spannung der Stromquelle hinzukommt. Schließlich ist die Bewegung des Umschalters in der bekannten Hupe von der Periodenzahl des Stromkreises abhängig, während bei der Erfindung sowohl den Einkupplungs- wie den Pausenzeiten des Umschalters ein willkürlicher und für den Kolbenmotor am meisten geeigneter Wert gegeben werden kann.

Durch die Möglichkeit, die Dauer der Pausen- und Einkupplungszeiten mit dem Umschalter willkürlich zu regeln, kann der Stromimpuls hinsichtlich der Bewegung des Kolbens rechtzeitig eingeschaltet werden. Früher ist dies nicht möglich gewesen, sondem der Stromimpuls hat in der Regel erheblich langer gedauert, als für die Bewegung des Kolbens erforderlich ist. In gewissen Fällen, wenn zwei wechselseitig arbeitende Magnetspulen verwendet worden sind, hat der Stromimpuls in jeder Magnetspule für sich eine Dauer erhalten, die etwa dreiviertel Pe-

rioden entspricht. Da die für die Bewegung des Kolbens erforderliche Dauer, wenigstens in einer Richtung, kleiner ist als für eine halbe Periode, so ist ersichtlich, daß wenigstens ein Drittel des Stromimpulses der Bewegung des Kolbens entgegengewirkt hat. Dieser große Nachteil wird durch die vorliegende Erfindung überwunden.

Zur beispielsweisen Erläuterung der Erfindung sind auf der Zeichnung einige Ausführungsformen schematisch dargestellt. In den Abbildungen werden nur der Kolben bzw. Anker mit seinen Magnetspulen samt dem Kondensator und der Kommutator mit Antriebsmotor veranschaulicht. Statt des gezeigten Kommutators kann ein anderes Organ für die Umschaltung des zugeführten Stromes an die Spulen, ζ. Β. ein Umschalter, verwendet werden.

ao Abb. ι zeigt zwei Spulen zur Erzeugung des Magnetfeldes und

Abb. 2 dieselbe Vorrichtung mit einer um i8o° versetzten Stellung des Kommutators.

Abb. 3 und 4 zeigen in derselben Weise eine zweite Ausführungsform mit vier Spulen.

Abb. S und 6 zeigen eine dritte Ausführungsform mit einer einzigen Spule.

Abb. 7 bis 11 sind die obenerwähnten Diagramme.

In den verschiedenen Abbildungen sind dieselben Teile gleichartig bezeichnet.

Ein Kommutator 1 ist von einem Elektromotor 2 angetrieben und durch die Leitungen 7, 8 an die mit -j- und — bezeichnete Gleichstromquelle angeschlossen. Ein Regulierwiderstand 5 kann die Geschwindigkeit des Kommutators in.gewissen Grenzen verändern. Die Leitungen 7, 8 sind mittels Schleifkontakten 9 bzw. 10 an den Kommutator 1 angeschlossen. Der Kommutator ist zylindrisch und enthält mehrere elektrisch leitende Teile, die voneinander mittels Isolierung 16 getrennt sind. Der im Magnetfeld hin und her bewegliche Kolben bzw. Anker ist mit 14 und der Kondensator mit ji bezeichnet.

In Abb. ι und 2 sind die zwei Magnetspulen 12, 13 durch drei Schleifkontakte 3,6,4 an den Kommutator 1 angeschlossen, und zwar in der Weise, daß Vereinigungspunkt 20 der beiden Spulen an den Schleifkontakt 6 über den Kondensator 11 durch Leitungen 15, 19 angeschlossen ist und daß die äußeren Enden der Spulen 12, 13 je mit den Schleifkontakten 3 bzw. 4 durch Leitungen 17 bzw. 18 vereinigt sind. Wenn die Vorrichtung in Betrieb ist, wird der Kondensator 11 von der Stromquelle durch den rotierenden Kommutator ι wechselweise mit positiver und negativer Spannung geladen bzw. entladen. Gleichzeitig ist die eine oder die andere der Spulen wechselweise ausgeschaltet. In der in Abb. 1 gezeigten Stellung fließt ein Strom im Kreise: +, 7, 9, i, 6, 19, 11, 15, 20, 13, 18, 4, i, 10, 8, —, wobei die Spule 13 erregt wird und den Anker oder Kolben_ii4 anzieht. Dabei findet erst eine Entladung des Kondensators statt und dann unmittelbar eine erneute Ladung in entgegengesetzter Weise. In der nächsten Stellung des Kommutators, nach Abb. 2, ist die Ladung des Kondensators umgekehrt, und ein Strom fließt im Kreise: +, 7, 9, i, 3, 17, 12, 20, 15, 11, 19,. 6, i, 10, 8, —. Dies wiederholt sich, und der Anker 14 wird abwechselnd hin und her gezogen und kann dabei Arbeit ausführen. Die Anzahl der Kolbenschläge pro Minute ist hierbei, wie oben erwähnt, in erster Linie von der Größe der Kapazität des Kondensators 11, der Selbstinduktion der Spulen und des vorhandenen Ohmschen Widerstandes abhängig. Die Drehzahl des Kommutators 1 muß daher nach der Zahl der Kolbenschläge berechnet und eingestellt werden. Eine gewisse kleine Regulierung der Zahl der Kolbenschläge kann mittels des Widerstandes 5 erreicht werden. Eine Regulierung der Schlaggeschwindigkeit zwischen weiteren Grenzen kann hervorgebracht werden, falls der Konderisator 11 verstellbar angeordnet wird, in der Weise, daß die Kapazität verändert wird.

In Abb. 3 und 4 sind vier Spulen 12, 13, 22, 23 vorgesehen, und der Kommutator ist daher in vier Teile geteilt und mit vier Schleifkontakten 3, 6^a, 6^b, 4 versehen. Je zwei Spulen wirken zusammen in den folgenden zwei Kreisen: In Abb. 3 fließt der Strom, nachdem der Kondensator geladen worden ist, von +, 7, 9, i, 6", 23, Vereinigungspunkt 21 nach 11, 20, 13, 18, 4, 1-, 10, 8, —, wodurch die Spulen 23 und 13 den Anker 14 anziehen. In Abb. 4 entsteht der folgende Stromkreis, wenn der Kommutator sich um i8o° gedreht hat: +> 7> 9. i> 3. 17, 12, 20, ii, 21, 22, &, i, io, 8, —, und die Spulen 12 und 22 ziehen den Anker 14 an.

In den Abb. 5 und 6, wo nur eine Spule 24 vorgesehen ist, fließt der Strom abwechselnd durch dieselbe Spule in den folgenden Kreisen: nach Abb. 5 von -j-, 7, 9, i, 6, 11, 24, 25. nach 28, 4, i, 10, 8, ·—,. und nach Abb. 6 von +, 7, 9, i, 3, 27, 25 nach 24, 11, 6, 1, 10, 8, ■—·. Hierdurch wird ein pulsierendes Feld erzeugt.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   i. Einrichtung zur Erzeugung pulsierender Ströme zur Speisung von elektromagnetischen Motoren mit hin und her gehendem Anker mit Hilfe eines z. B. umlaufenden Schalters, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen des Motors mit

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   einem oder mehreren Kondensatoren in Reihe geschaltet sind, die mit Hilfe des Umschalters über beide an ein Gleichstromnetz angeschlossenen Magnetspulen sowohl geladen als auch entladen werden und so bemessen sind, daß die Dauer einer halben Periode der Eigenschwingungszeit des Schwingungskreises etwa ebenso groß ist wie die Dauer des Einschaltens des die Schlagzahl des Motors zum Teil bestimmenden Umschalters.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnetspulen und ein gemeinsamer Kondensator verwendet werden.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Spulen vorgesehen sind, von denen je zwei sich in verschiedenen Stromkreisen befinden und in dem Stromkreis an verschiedenen Seiten des Kondensators angeschlossen sind.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen