DE643086C - Elektromagnetisch betriebener Verdichter - Google Patents

Description

Der Versuch, einen Verdichter durch einen Elektromagneten unmittelbar zu betreiben, gestaltete sich hauptsächlich deshalb schwierig, weil die Bewegungsumkehr des federnd gelagerten, schwingenden Systems, bestehend aus Verdichterorgan und Anker, durch elektrische Umschaltvorrichtungen oder durch schwingungsverkürzende Prallflächen erzwungen werden sollte, also durch Hilfsmittel, welche die Betriebssicherheit, Leistungsfähigkeit, Einfachheit des Aufbaus und auch den Wirkungsgrad vermindern.

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, den Netzwechselstrom als Kraftquelle zu verwenden und den Antrieb so auszubilden, daß einzig und allein die Periodizität dieses Stromes die Bewegungsumkehr des schwingenden Ankers veranlaßt. Danach soll das federnd gelagerte Verdichterorgan vom schwingenden Anker eines Wechselstromelektromagneten in Schwingungen versetzt werden, wobei die Federung des schwingenden Systems auf Resonanz mit der wechselnden Anziehungskraft des Elektromagneten abgestimmt ist und die Bewegungsumkehr des schwingenden Systems im normalen Betrieb nur durch von der Federung, vom magnetischen Feld und vom verdichteten Fördermittel ausgeübte Gegenkräfte erzwungen wird. Für den praktischen Betrieb eines derartigen Aggregates ist es von wesentlicher Bedeutung, daß die Verdichtungsarbeit vom Elektromagneten nur mittelbar durch in der Federung aufgespeicherte Energie geleistet wird, so daß die Ankerbewegung möglichst gleichmäßig verläuft und heftige Belastungsstöße vom . Netz ferngehalten werden. Den richtigen Ausgangspunkt für eine Weiterentwicklung des resonanzartigen Wechselstromantriebes bei Verdichtern bildet daher jene Bauart, bei welcher das Entfernen desi Ankers vom Elektromagneten den Arbeitshub des Förderorgans, also bei Überdruckerzeugern den Druckhub, bewirkt.

Die Erfindung hat zum Zweck, die bisher bekanntgewordenen Verdichter der zuletzt angegebenen Art zu verbessern, und zwar insbesondere durch eine vorteilhafte Ausbildung des den Antrieb bildenden Wechselstromelektromagneten. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Betriebseigenschaften und überhaupt die praktische Eignung des Aggregates bei einem in Resonanz mit der Anziehungskraft des Elektromagneten schwingenden Förderorgan durch die Bauart des Magneten wesentlich bedingt werden, während dies bei den eingangs erwähnten Antrieben, die mit elektrischer Umschaltsteuerung oder mit Prallflächen arbeiten, nicht oder in viel geringerem Maße der Fall ist. Die besondere Bedeutung der baulichen Ausgestaltung des Wechselstromelektromagneten ist bei den bis-

her vorgeschlagenen, nach dem Resonanzprinzip betriebenen Verdichtern wenig erkannt worden.

Die Eigenart des Wechselstromverdichteratitriebes stellt an den Aufbau des Elektromagneten verschiedene, einander teils widersprechende Forderungen.

Eine dieser Forderungen betrifft die Erzielung eines möglichst günstigen Fördervolumens bzw. einer möglichst gleichmäßigen Förderleistung bei verschiedenen Förderdrücken. Es hat sich gezeigt, daß die Lage der Schwingungsbahn des Ankers, da dessen Endlagen durch keine Prallflächen oder Um- ^!5 schaltkontakte bestimmt sind, vom Druck abhängt, auf welchen das Fördermittel verdichtet wird. Mit wachsendem oder sinkendem Gegenenddruck verschiebt sich die Schwingungsmittellage des Ankers, ohne daß im so allgemeinen die Amplitude der Schwingung eine Veränderung erleidet. Erfindungsgemäß kann diese Verschiebung dazu benutzt werden, die magnetischen Verhältnisse des Antriebes derart zu verändern, daß bei einer Steigerung bzw. Abnahme des Gegenenddruckes selbsttätig eine Verringerung bzw. Erhöhung der aufgenommenen elektrischen Leistung eintritt, daß also der eben erwähnten Forderung nach einer günstigen Betriebscharakteristik des Verdichters entsprochen wird.

Es muß aber auch der Forderung eines möglichst raum- und gewichtssparenden Aufbaues des Elektromagneten genügt werden. Dies besagt mit anderen Worten, daß in allen ³S Schwingungslagen des Ankers eine möglichst vollständige Ausnützung des magnetischen Kraftflusses stattfindet. Dies darf aber nicht auf Kosten der wirksamen Anziehungskraft des Elektromagneten geschehen. Die Beschaf fenheit der Schwingfeder schreibt nämlich im Zusammenhang mit dem freien resonanzartigen Ausschwingen des Ankers der maximalen Schwingungsamplitude desselben (bei gegebener Größe der Konstruktionsteile) gewisse Grenzen vor, so daß es wünschenswert ist, daß die auf die Einheit des Schwingungsweges entfallende magnetische Leistung möglichst groß wird.

Eine weitere Forderung betrifft die Richtung der auf den Anker wirkenden periodischen Kräfte. Es soll nämlich die Resultierende dieser Kräfte in die Schwingungsrichtung fallen. Dadurch wird nicht nur ein kompliziertes, unregelmäßiges Schwingen nach Art von Schlingerbewegungen vermieden, sondern auch die Anordnung feststehender Magnetteile in nächster Nähe des schwingenden Ankers ermöglicht, was bei allseitigem Ausschwingen desselben nicht zulässig wäre. Po Die Erfindung sucht alle diese Forderungen nach Möglichkeit zu erfüllen.

Erfindungsgemäß bilden Anker und Feldmagnet (feststehender Eisenkern des Elektromagneten) einen nur von kleinen Luftspalten unterbrochenen, sonst aber geschlossenen magnetischen Eisenkreis von geringem magnetischem Widerstand; Lage, Gestalt und Größe der Luftspalte sind so gewählt, daß ihr magnetischer Widerstand, bezogen auf die Schwingungsmittellage des Ankers, allmählich V> und in geringem Maße kleiner wird, wenn sich diese Mittellage mit zunehmendem Gegenenddruck des verdichteten Fördermittels verschiebt. Die Anordnung der Luftspalte ist symmetrisch in bezug auf die Schwingungsrichtung des Ankers, so daß die auf den Anker einwirkende resultierende magnetische Anziehungskraft in diese Richtung fällt.

Um eine möglichst große Komponente der magnetischen Kraft zur Wirkung zu bringen, trotzdem aber den geschlossenen Eisenkreis durch eine möglichst kleine Summe hintereinandergeschalteter Luftspalte zu unterbrechen, wird eine Bauart gewählt, bei der im magnetischen Kreis des Wechselstromelektromagneten nur ein einziger Luftspalt vom Kraftlinienfluß in der Schwingungsrichtung des Ankers durchsetzt wird. Der magnetische Widerstand dieses Luftspaltes, der als aktiver Luftspalt bezeichnet werden mag, soll vorzugsweise in keiner Schwingungslage des Ankers kleiner sein als der magnetische Widerstand der übrigen Luftspalte. Letztere werden zweckmäßig so angeordnet, daß sie in allen Schwingungslagen des Ankers möglichst klein bleiben, also so, daß der sie durchsetzende Kraftlinienfluß mit der Schwingungsrichtung des Ankers einen Winkel bildet, der größer ist als 45⁰. Die hier angegebene Bauart des Wechselstromelektromagneten ist für andere Zwecke, bei denen dem elektrischen Antrieb der Membran stets dergleiche Widerstand entgegensteht und daher kein Anlaß zu einer Verschiebung der mittleren Ankerlage besteht, beispielsweise für elektrisch betriebene Signalhörner, zwar bereits bekannt, aber bei einem mit Resonanz arbeitenden Membranverdichter neu, und ihre bei letzterem in Erscheinung tretende Bedeutung für den Betrieb bei wechselnden Förderdrücken ist bisher nicht erkannt worden.

In baulicher Beziehung empfiehlt es sich, den Anker und den feststehenden Teil des Elektromagneten derart auszubilden und in bezug aufeinander anzuordnen, daß sie zusammen, bei völlig angezogenem, d. h. am feststehenden Teil satt anliegend gedachten Anker, einen Magnetkörper ergeben würden, ler dem geschlossenen Eisenkörper eines Säulentransformators, vorzugsweise eines ^reisäulentransformators, gleicht, wobei '-weckmäßigerweise der völlig angezogen ge-

dachte Anker die Mittelsäule des Eisenkörpers ergänzt oder bildet. Dies ermöglicht in raumsparender und technologisch einfacher Weise einen lamellierten Aufbau des Magnetkörpers wie auch des Ankers, also einen Aufbau, dessen erhebliche Vorteile aus dem Transformatorenbau bekannt und im vorliegenden .Fall, wo der magnetische Kraftfluß möglichst ausgenützt werden soll, von besonderer Bedeutung sind.

In den Abb. ι und 2 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt und Seitenansicht dargestellt, während Abb. 3, die im übrigen der Abb. 1 entspricht, die Richtungen der in den Luftspalten auftretenden magnetischen Kräfte K, K' und K" veranschaulicht..

Der Elektromagnet besteht in diesem Beispiel der Hauptsache nach aus dem nach Art eines Säulentransformators aufgebauten feststehenden Eisenkern i, dem in lotrechter Richtung beweglichen, gewissermaßen einen losgelösten Teil der Mittelsäule (Mittelsteg) bildenden Anker 2 und der um die mittlere

^a5 Säule und den diese Säule fortsetzenden Ankerteil herum angeordneten Magnetwicklung 3. Wie die Zeichnung zeigt, ist der Anker derart ausgebildet und in bezug auf den feststehenden Teil des Elektromagneten derart angeordnet, daß die bei Erregung der Wicklung entstehenden magnetischen Kreise im Eisen nahezu geschlossen sind und nur die schmale Luftspalte 5, 5' und 5" zu durchsetzen haben. Der Luftspalt 5 verläuft so, daß er vomKraftnuß parallel zur Schwingungsrichtung des Ankers durchsetzt wird, so daß also die in diesem Luftspalt wirksame Komponente der magnetischen Kraft einen Höchstwert erreicht. Die Luftspalte 5' und 5" werden von Ankerflächen und Jochflächen des Magnetkernes gebildet, die schräg zur Schwingungsrichtung des Ankers liegen und mit dieser einen Winkel 90 — α (siehe Abb. 3) bilden, der kleiner als 45 ° ist. Die Luftspalte 5' und 5" sind also derart angeordnet, daß sie viel kleiner gewählt werden können als der Luftspalt 5 und daher den geschlossenen Eisenweg in viel geringerem Maße unterbrechen. Von der Anordnung des Luftspaltes 5 darf aber nicht abgesehen werden, wenn die auf einen bestimmten Schwingungsweg entfallende magnetische Leistung möglichst groß sein soll. Wie ferner aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht, senkt sich die Schwingungsmittellage des Ankers bei wachsendem Gegenenddruck des verdichteten Fördermittels. Dadurch wird die der jeweiligen Schwingungsmittellage entsprechende Größe des Luftspaltes 5 mit wachsendem Gegenenddruck in erheblichem Maße verkleinert, und diese Verkleinerung kann ohne weiteres derart bemessen werden, daß die Abhängigkeit des geförderten Luftvolumens bzw. der Förderleistung vom Druck in günstigem Sinne beeinflußt wird; denn die Verkleinerung des Luftspaltes ruft eine Kraftzunahme und Leistungssteigerung hervor.

Durch die dargestellte Ausführung und Art der Anordnung des Elektromagneten wird auch die Leistungsfähigkeit des Verdichterantriebes wesentlich erhöht bzw. die für eine bestimmte Leistung erforderliche' Größe des Elektromagneten auf ein Minimum gebracht.

Der Elektromagnet steht auf einer Grundplatte 9, von welcher aus lotrechte, rahmenartig versteifte Streben 21 aus Isoliermaterial ausgehen, welche den Drucklufterzeuger tragen. Letzterer ist nach dem Prinzip der Membranpumpe gebaut und besteht im Wesen aus dem Arbeits- oder Verdichterraum 27, dem Sammelraum 26 mit angeschlossenem Druckluftstutzen 13, der mit Öffnungen 23 versehenen Membran 16, der mit Öffnungen 19 versehenen Membran 17 und den mit Öffnungen 18 bzw. 24 ausgestatteten Membranböden 15 bzw. 25. Die Öffnungen 18 und 23 und die in ihrer Nähe befindlichen Teile der Membran 16 bilden die Saugventile, die Öffnungen 19 und 24 und die in ihrer Nähe befindlichen Teile der Membran 17 bilden die Druckventile des Verdichters. Der Membranboden 15 ist als Druckplatte ausgebildet, welche am oberen Ende der eine Fortsetzung des Ankers 2 bildenden Antriebsstange 14 befestigt ist. Es besteht also der unter der Einwirkung des Elektromagneten schwingende Körper aus dem Anker 2, der Antriebsstange 14 und dem Membranboden 15 mit der Membran 16. Es ist klar, daß durch diese Konstruktion eine erhebliche Verringerung der mit dem Anker schwingenden Masse erzielt wird. Die Antriebsstange 14 ruht mittels des Querbolzens 8 auf Blattfedern 6, und zwar derart, daß der Anker, wenn der Elektromagnet nicht erregt ist, ausschließlich von diesen Federn getragen wird, wobei er von ihnen eine gewisse Vorspannung erhält. Die Tragfedern 6 des Ankers sind derart bemessen und angeordnet, daß sie ein gleichmäßiges Schwingen der hin und her xio gehenden Teile im Takte, und zwar in Resonanz mit dem Wechsel des den Elektromagneten speisenden Stromes, ermöglichen. Die Enden der Federn 6 sind mit walzenförmigen Auflagekörpern 20 versehen, welche in Büchsen 7 des Traggestelles drehbar gelagert sind, derart, daß sie in Übereinstimmung mit der hin und her gehenden Bewegung des Ankers Drehschwingungen ausführen können. Durch diese Art der Lagerung der Federn wird die Übertragung der vom schwingenden Anker hervorgerufenen Er-

schütterungen auf die übrigen Teile der Einrichtung und auf die Umgebung wesentlich vermindert. Dem letzteren Zweck dient auch eine stoßdämpfende Filzplatte io, auf welche die Grundplatte 9 gestellt ist.

Die Wirkungsweise der eben beschriebenen Einrichtung ist folgendermaßen: Wird die Spule 3 des Elektromagneten mit Wechselstrom gespeist, so schwingen der Anker 2 und die mit ihm verbundenen Teile im Takte der Wechselstromfrequenz. Bei jeder Abwärtsbewegung des Ankers nimmt der Membranboden 15 die mit ihm nur an ihrem Umfang fest verbundene Membran 16 mit, so daß Luft durch die Öffnungen iS und 23 in das Innere des Arbeitsraumes zy einströmt; währenddem bleibt die Membran 17 an ihrem Boden 25 fest angepreßt, so daß die Druckventilöffnungen 19, 24 geschlossen sind. Während der Aufwärtsbewegung des Ankers werden jedoch die Öffnungen 18 und 23 des Saugventils geschlossen, da sich die ganze Membran 16 gegen ihren Boden 15 anpreßt; es hebt sich aber andererseits die Membran 17 von ihrem Boden 25 ab, so daß die im Arbeitsraum verdichtete Luft durch die Druckventilöffnungen 19, 24 in den Sammelraum 26 gefördert wird, \^von wo sie durch den Rohrstutzen 13 ihrem Verwendungszweck oder irgendeinem Druckluftbehälter zugeführt wird.

Der Anker des Elektromagneten wird während des Saughubes dem Magnetkörper genähert und während des Druckhubes von ihm entfernt. Die Feder 6, die auf die Wechselstromfrequenz abgestimmt ist, ist während des Druckhubes die einzige zur Verfugung stehende Kraftquelle, und sie muß daher während der Ansaugbewegung die gesamte für den Druckhub erforderliche Energie aufspeiehern. Diese Energie besteht hauptsächlich aus der Verdichtungsarbeit und aus der zum Wegziehen des Ankers vom Magnetkörper (Vergrößerung des Luftspaltes) erforderlichen Arbeit. Die letztgenannte Arbeit geht jedoch nicht verloren, da sie in das den Elektromagneten speisende Xetz zurückgeliefert wird. Andererseits wird diesem Xetz während der Anzugsbewegung des Ankers, also während des Saughubes, jene Energie (vermehrt um die beim Saugen auftretenden Energieverluste) entnommen, die am Ende dieses Hubes in der Feder 6 aufgespeichert ist. Es ist daher verständlich, daß aus dem Xetz während einer vollen Arbeitsperiode des Verdichters insgesamt nur so viel elektrische Energie entnommen wird, als zur Deckung der nützlichen Verdichtungsarbeit und der unvermeidlichen Energieverluste notwendig ist. Wird also bei Anwachsen des Druckes im Raum 20 die mechanische Leistung des Verdichters kleiner, so wird in entsprechendem Maße auch die von der Elektromagnetwicklung aufgenommene elektrische Leistung geringer werden, ohne daß der Anker zu schwingen aufhört. Diese Schwingungen dauern auch fort, wenn die Verdichternutzarbeit auf XuIl sinkt, in welchem Falle der Elektromagnet nur die zur Deckung der Leerlaufsverluste des Verdichters erforderliche Leistung dem Xetz entnimmt. Die Arbeitsweise des Kleinverdichters paßt sich also selbsttätig dem wechselnden Luftbedarf an; je mehr Druckluft entnommen wird, desto mehr wird auch erzeugt. Dies ist ein bemerkenswerter Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Die Feder 6 nimmt, wenn die durch den elektromagnetischen Antrieb erzeugte Luftverdichtung ihren Höchstwert erreicht, den überschüssigen Gegendruck des verdichteten Fördermittels auf, was mit wachsendem Druck eine Verschiebung der Schwingungsmittellage des schwingenden Systems nach unten zur Folge hat. Dadurch wird, wie bereits beschrieben, der aktive Luftspalt 5 des Elektromagneten verkleinert, so daß eine günstige Anpassung der Leistung beim Arbeiten auf verschiedene Drücke erzielt werden kann.

Die im Ausführungsbeispiel beschriebene Membran- und Ventilkonstruktion ist besonders vorteilhaft, wenn ein sehr schnelles, aber einwandfreies Arbeiten der Ventile gefordert wird, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn der Anker im Takt mit dem gebrauchliehen Wechselstrom von 50 Hertz schwingen soll.

Ein Vorteil der beschriebenen Maschine ist auch das Fehlen jeglicher Lager oder Getriebeteile, die eine Schmierung erfordern würden. Dies bedeutet nicht nur eine Ersparung im Betrieb und in der Wartung der Maschine, sondern ermöglicht es auch, die den Antriebsmechanismus, insbesondere den Elektromagneten, umgebende Luft in den Verdichter einzusaugen, so daß eine wirksame Kühlung des Antriebes durch bewegte Luft entsteht. Denn die aus dem Antrieb angesaugte Luft führt keine ülteilchen mit sich, die eine Verunreinigung der komprimierten Luft hervorrufen könnten; demgemäß kann auch die Anordnung eines Ölabscheider erpart werden. Das Ansaugen von Luft aus dem Elektromagneten zu Kühlzwecken kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß man, wie im beschriebenen Ausführungsbeispiel, die Saugöffnungen 18 des Verdichters oberhalb des Elektromagneten anordnet. Schließt man überdies die ganze Maschine in ein Gehäuse ein, so wird die vom Verdichter auf die im Magneten erwärmte Luft ausgeibte Saugwirkung noch wesentlich gesteigert.

Man kann aber auch gegebenenfalls besondere Kanäle oder Leitungen anordnen, die die Heißluft des Elektromagneten der Saugseite des Verdichters zuführen.

Die Schwingungen des Ankers erzeugen, im Betrieb ein Vibrationsgeräusch, dessen Dämpfung erwünscht sein kann. Zu diesem Zweck lassen sich verschiedene Maßnahmen treffen. Ist die Maschine von einem Gehäuse

ίο umschlossen, so kann dieses aus einem schalldichten Material hergestellt und auf Gummischnüren oder Spiralfedern aufgehängt sein. Man kann auch die Zwischenräume zwischen Apparat und Gehäuse mit einem schalldichtten, stoßdämpfenden Material ausfüllen. Es kann auch das ganze System unter öl eingebaut sein, welches gegebenenfalls gleichzeitig zur Schmierung bewegter Teile dient.

Die Übertragung der Ankerbewegung auf das Förderorgan, die Federung des Ankers usw. lassen sich in verschiedenster Weise ausführen. Ferner kann man nach Wunsch mehrere Maschinen parallel oder hintereinander schalten, um einen größeren Förderdruck oder eine größere Fördermenge bewältigen zu können. In vielen Fällen wird es sich empfehlen, den Drucklufterzeuger und -verbraucher als konstruktive Einheit auszubilden. Der leistungsfähige, betriebssichere Aufbau des neuen Kleinverdichters ermöglicht dessen weitgehendste Verwendung, z. B. in der Malerei, Landwirtschaft, Bohrtechnik, medizinische Technik usw.

Claims (2)

1. Patentansprüche:
   i. Elektromagnetisch betriebener Ver-

   dichter, dessen federnd gestütztes, insbesondere membranartiges Förderorgan vom schwingenden Anker eines Wechselstrommagneten in Schwingungen versetzt wird, bei dem das Entspannen einer Feder das Entfernen des Ankers vom Elektromagneten und damit den Druckhub bewirkt und die Federung des schwingenden Systems auf Resonanz mit der wechselnden Anziehungskraft des Elektromagneten abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Anker und Eisenkern des Elektromagneten einen nur von schmalen Luftspalten unterbrochenen magnetischen Eisenkreis geringen Widerstandes bilden, wobei die Richtung des Kraftlinienflusses in dem mittleren Luftspalt (5) in die Schwingungsrichtung des Ankers fällt und in den beiden äußeren Luftspalten (S', 5") mit der Schwingungsrichtung einen Winkel (2) bildet, der größer als 45° ist.
2. 2. Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden schräg zueinander liegenden Luftspalte (5', 5") im oberen Teil und der mittlere, waagerecht liegende Luftspalt (5) im Mittelsteg des vom Anker (2) und vom "Eisenkern (1) gebildeten rechteckigen Rahmens sich befinden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen