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Elektromagnetischer Schwingungserzeuger Zur Erzeugung der magnetischen
Schwingkräfte werden vorzugsweise Magnetsysteme mit gegenständigen, d. h. ebenen,
zur Schwingrichtung senkrechten Luftspaltflächen von Magnet und Anker verwendet,
weil solche Flächen eine einfache und genaue Herstellung ermöglichen. Der prinzipielle
Aufbau eines solchen Schwingungserzeugers ist in Abb. I dargestellt. Dabei ist mit
I ein Magnet mit der Erregerspule 2, einem Magnetanker 3 und einem Federsystem 4.
bezeichnet, das die Massen des Magneten und des Ankers samt der daran angeschlossenen
Nutzmasse 5 elastisch kuppelt. Die Magnetspule 2 wird beispielsweise von einem Wechselstromnetz
über ein elektrisches Ventil 6, bestehend aus einer Gleichrichterröhre oder einem
Trockengleichrichter, gespeist. Es könnte aber auch die Speisung von einem Gleichstromnetz
nach dem Prinzip der Selbstunterbrechung erfolgen.
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Allgemein ist die mit einem Magnetsystem erzeugte Zugkraft bekanntlich
proportional dem Produkt aus dem Quadrat der elektrischen Durchflutung des magnetischen
Kreises und der Änderung der magnetischen Leitfähigkeit des Weges des Nutzflusses,
der durch den infolge der Bewegung veränderlichen Arbeitsluftspalt verläuft. Bei
den obengenannten gegenständigen Luftspaltflächen ergibt sich aus Rechnung oder
Messung eine Abhängigkeit der magnetischen Leitfähigkeit vom Luftspalt, die im Bereich
großer Werte des Luftspaltes verhältnismäßig flach verläuft, für kleine Werte des
Luftspaltes jedoch einen außerordentlich steilen Anstieg zeigt, wie in Abb. 2 die
Kurve a erkennen läßt.
Um praktisch brauchbare Wirkungsgrade für
die Leitungsumsetzung zu erhalten, ist es notwendig, die Schwingung in einen Luftspaltbereich
zu legen, in dem ein genügender Anstieg der Leitfähigkeit vorlianden ist. Der Schwingungsantrieb
wird dabei vorzugsweise nur einseitig, d. h. in nur einer Schwingungsrichtung, vorgesehen
aus Gründen einfacher Bauart. Für eine Anordnung nach Abb. I ergibt sich ein zeitlicher
Verlauf der Zugkraft K etwa nach Abb. 3, der sich angenähert durch eine konstante
Kraft K1 und eine überlagerte schwingende Kraft K0 ersetzen läßt. Die Kraft K1 hat
eine einseitige Verlagerung der resultierenden Schwingung zur Folge, und zwar aus
der Mittellage, die dem eingestellten Ruheluftspalt d0 entspricht, in die neue Mittellage,
entsprechend do'. Ist C die Federkonstante des gesamten Schwingungssystems, so ist
Der ganze Schwingungsbereich verschiebt sich um diese Größe in den Bereich kleineren
Luftspaltmittelwertes.
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Steigert man die zugeführte elektrische Leistung und den Strom, von
Null anfangend, beispielsweise durch allmähliche Erhöhung der Spannung, so nimmt
damit auch die in Abb. 2 angedeutete Schwingweite so zu, und zwar zunächst stetig
mit Steigerung der Leistung so lange, bis die Schwingung in den Bereich kleineren
Luftspaltes hineingelangt. Wird die Spannung nun noch weiter erhöht, so tritt von
einer gewissen Schwingweite an ohne Änderung der elektrischen Einstellung eine sprunghafte
Zunahme der Schwingweite ein, die zum Gegenschlagen des Ankers an die Magnetpole
führt. Gleichzeitig ist dabei eine Abnahme des aufgenommenen Stromes zu beobachten.
Innerhalb dieses kritischen Schwingungsbereiches, der sich etwa von d = o,5 d()
bis b = o erstreckt, ist keine stabile Einstellung der Schwingweite möglich. Der
Grund für dieses labile Verhalten liegt darin, daß beim Übergreifen der Schwingung
in den Bereich sehr kleinen Luftspaltes die Zugkraft, selbst bei abnehmendem Strom,
infolge des steilen Anstiegs der magnetischen Leitfähigkeit schneller zunimmt als
die ihr entgegenwirkende Federkraft, die etwa der Auslenkung aus der Ruhelage proportional
ist. Diese Verhältnisse sind in Abb. 4 für statische Kräfte veranschaulicht. Kml
und Km3 stellen die magnetische Zugkraft für drei angenommene Stromwerte in Abhängigkeit
vom Luftspalt dar und kj die Federkraft bei Einstellung des Schwingungssystems auf
einen Ruheluftspalt b0. Mit KmI und Km2 sind stabile Gleichgewichtslagen b1 und
d2 möglich. Wird durch fremde Krafteinwirkung eine Auslenkung bis auf öI' bzw. b2'
erzwungen, so tritt dann weiteres Anziehen des Ankers bis an den Magneten ein. Mit
Km3 ist keine stabile Gleichgewichtslage mehr möglich.
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Bei einem mechanischen Schwingungserzeuger tritt nun aus denselben
Zusammenhängen der Zustand der Labilität ein, sobald die Schwingweite s0 (vgl. Abb.
2) zusammen mit der Verlagerung Ab, gewisse, von der elektrischen Einstellung abhängige
Werte überschreitet. Es kann daher gerade der Bereich, der infolge großen Leitfähigkeitsanstiegs
eine Leistungsumsetzung mit gutem Wirkungsgrad ermöglichen würde, wegen des labilen
Betriebszustandes nicht ausgenutzt werden. Eine stabile Erhöhung der Schwingweite
ist unter diesen Umständen nur möglich dadurch, daß die Schwingung im ganzen in
den Bereich großen Luftspaltes verlegt wird mit dem Nachteil größerer Stromaufnahme
und kleineren Wirkungsgrades oder aber dadurch, daß andere Formen der Luftspaltbegrenzungsflächen
verwendet werden, die einen grundsätzlich anderen Verlauf der Leitfähigkeit längs
des Weges ermöglichen. Das sind insbesondere solche Formen, bei denen sich die Luftspaltflächen
von Anker und Magnet parallel oder schräg zueinander verschieben oder ineinanderschieben.
Solche Formen haben aber gegenüber rein gegenständigen Flächen den großen Nachteil,
daß sie in der Fertigung wesentlich höhere Genauigkeit und größere Kosten erfordern.
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Nach der Erfindung wird die beschriebene Schwierigkeit der Labilität
dadurch behöben, daß der übermäßige Leitfähigkeitsanstieg für kleine Luftspaltwerte
durch planmäßig gesteigerte Sättigung in geeigneten Teilen des magnetischen Kreises
des Schwingungserzeugers so weit herabgesetzt wird, daß die Zunahme der magnetischen
Zugkraft nicht größer ist als die Zunahme der ihr entgegenwirkenden Federkraft des
Schwingsystems, daß also die Leitfähigkeit etwa nach Kurve b der Abb. 2 verläuft.
Während man sonst bestrebt ist, den Wirkungsgrad elektrischer Maschinen durch Vermeidung
übermäßig hoher Sättigung hochzuhalten, ist im vorliegenden Falle die Anwendung
einer Induktion in der Größenordnung von 2o bis 25 ooo Gauß das Mittel, um ohne
Aufgabe der einfachen gegenständigen Lüftspaltform einen stabilen Betrieb der Schwingungserzeuger
zu ermöglichen, und zwar im Bereich kleinen Luftspaltes, also mit gutem Wirkungsgrad.
Die Wirkung der hohen Sättigung tritt nämlich erst bei Annäherung an den zeitlichen
Höchstwert des magnetischen Flusses, d. h. gegen Hubende bei Annäherung an den Kleinstwert
des in Abb. 2 gekennzeichneten Luftspaltes = bmin ein, während des übrigen Teiles
des Hubes jedoch noch nicht, so daß der hier praktisch unveränderte Leitfähigkeitsanstieg
voll ausgenutzt werden kann.
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Wird die Magnetwicklung des Schwingungserzeugers an eine feste Netzspannung
angeschlossen, so muß für eine gegebene Windungszahl und Frequenz der Flüß einen
bestimmten Höchstwert erreichen, um das Spannungsgleichgewicht herzustellen, und
zwar unabhängig davon, welche Werte die Gesamtleitfähigkeit des magnetischen Kreises
in irgendeiner Lage des-Ankers hat, da für die Größe der Zugkraft nur der durch
den Arbeitsluftspalt- in den -Anker übertretende Flußanteil, der Nutzfluß, maßgebend
ist. Um eine unnötige Vergrößerung des aufgenommenen Stromes zu vermeiden, wird
eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgedankens dadurch erreicht, daß nur der
Anker hoch gesättigt wird, so daß dadurch der Anstieg des Nutzflusses begrenzt wird
und die für das Spannungsgleichgewicht erforderliche Gesamtflußverkettung durch
Zunahme des Streuflusses eintritt. Um die angestrebte Wirkung möglichst ausgeprägt
zu erhalten, empfiehlt es sich demnach, die Streuleitfähigkeiten des Magnetsystems
nicht auf einen sonst erstrebenswerten Kleinstwert herabzudrücken,
sondern
auf ein bestimmtes Verhältnis zur Leitfähigkeit des Nutzflußweges abzugleichen.
Es kann sich als zweckmäßig erweisen, für diesen Abgleich der Streuleitfähigkeit
eine zusätzliche Erhöhung durch Einlegen sogenannter Streubleche vorzusehen. Allerdings
ist hiermit eine Verminderung des Leistungsfaktors verbunden, die jedoch gegenüber
dem Vorteil des stabilen Betriebes unerheblich ist.
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Ein weiterer Vorteil hat sich dadurch ergeben, daß erfindungsgemäß
der Anker aus hochlegiertem Dynamoblech aufgebaut wird. Hierdurch wird ein schärferes
Abbiegen der Magnetisierungskurve des Nutzflußkreises erreicht und gleichzeitig
eine Verminderung der magnetischen Verluste in dem hochgesättigten Anker. Der Magnetkörper
selbst jedoch wird zweckmäßigerweise aus gewöhnlichem Dynamoblech hergestellt, so
daß die Zunahme des Streuflusses nicht durch zu früh eintretende Sättigung begrenzt
wird.
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Außer der Beseitigung der Labilität hat die Erfindung eine weitere
Verbesserung der Betriebseigenschaften elektromagnetischer Schwingungserzeuger zur
Folge, indem nämlich Ungleichheiten im Luftspalt, bedingt durch Fertigungsmängel,
sich nicht mehr so stark im Sinne ungleicher Verteilung der Gesamtzugkraft über
die Luftspaltfläche auswirken können, wie es ohne Drosselung des Leitfähigkeitsanstiegs
möglich wäre.
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Obwohl die erfindungsgemäße Ausbildung des Magnetsystems elektromagnetischer
Schwingungserzeuger zunächst das Ziel hat, unter Verwendung der am einfachsten herstellbaren
gegenständigen Luftspaltflächen einen im ganzen Schwingungsbereich stabilen Betrieb
zu erreichen, ist sie mit gleichem Vorteil auch anwendbar auf beliebige andere Flächenformen
des Luftspaltes, die für kleine Luftspaltwerte zu steilen Leitfähigkeitsanstieg
und dadurch labile Schwingungsbereiche zur Folge haben.
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Die Gefahr der Labilität ist naturgemäß bei einseitig wirkendem Schwingungsanstieg,
wie bisher beschrieben, besonders groß wegen der einseitigen Verlagerung der Schwingungsmittellage.
Aber auch bei zweiseitigem, d. h. in beiden Schwingrichtungen wirkendem Antrieb
ist labiles Verhalten möglich, wenn man die Bereiche kleinen Luftspaltes aus früher
erörterten Gründen ausnutzen will. Auch dann ist die erfindungsgemäße Ausbildung
mit gleicher Wirkung anwendbar.