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Elektrodynamischer Schwingantrieb für Arbeitsmaschinen, beispielsweise
Siebe Zur Erzeugung mechanischer Schwingbewegungen bei Arbeitsmaschinen, z. B. Sieben,
Schwingmühlen, Hämmern u. dgl., sind elektrodynamische Schwingantriebe bekannt,
deren Antriebskraft durch die Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld und einer
stromdurchflossenen Wicklung erzeugt wird. Meist wird zur Erzeugung des Magnetfeldes
ein aus Magnetkörper und Erregerwicklung bestehender Elektromagnet vorgesehen, dessen
Erregerwicklung gewöhnlich mit Gleichstrom gespeist wird, während die stromdurchflossene
Wicklung am Anker der Magnetanordnung angebracht und an eine Wechselspannung gelegt
wird. Durch die Wechselwirkung zwischen Magnetfeld und Ankerwicklung treten Kräfte
und hierdurch Relativbewegungen zwischen Magnetkörper und Anker auf. Magnetkörper
und Anker bestehen gewöhnlich aus zwei zylindrischen, zueinander konzentrischen
Teilen. Sie sind meist durch Federn od. dgl. miteinander verbunden und können mit
diesen auf Resonanz abgestimmt sein, wobei die Federn im wesentlichen die zur Umkehr
der Bewegungsrichtung erforderlichen Beschleunigungskräfte aufbringen, so daß der
elektrodynamische Antrieb im wesentlichen nur die Nutz- und Dämpfungskräfte aufzubringen
hat. Bei der praktischen Anwendung dieser elektrodynamischen Schwingantriebe kann
beispielsweise einer der beiden gegeneinanderschwingenden Teile (Magnetkörper oder
Anker) im wesentlichen feststehende und der andere beweglich angeordnet werden,
wobei die Bewegung des letzteren als Antriebsbewegung nutzbar gemacht wird.
Es
können aber auch beide Teile gleichzeitig beweglich angeordnet werden.
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In der Praxis haben sich die bekannten elektrodynamischen Schwingantriebe
nur in geringem Maß durchsetzen können, da sie an außerordentlich großer Wärmeerzeugung
bzw. an Wärmeverlusten leiden. Es ist bekannt, daß diese Wärmeverluste vorwiegend
durch das Gleichfeld störende Wechselfelder verursacht werden, welche durch einzelne
Teile der wechselstromgespeisten Wicklungen des Schwingantriebes im Eisen des Ankers
und des Magneten durch deren Relativbewegung entstehen, und zwar durch die von dem
Gleichfeldkraftflußpfad umschlossenen Teile der wechselstromgespeisten Wicklung,
insbesondere der Ankerwicklung. Zur Unterdrückung oder Aufhebung dieser Störfelder
hat man bereits Kompensationswicklungen in Form von Kurzschlußwicklungen verwendet
und in dem Luftraum zwischen den Magnetpolschenkeln angeordnet.
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Der Erfinder hat erkannt, daß es noch weitere Störfelder gibt, die
an der starken Erwärmung der elektrodynamischen Schwinger nicht unerheblich beteiligt
sind: Es sind dies die das Gleichfeld störenden Wechselfelder, die ebenfalls im
Eisen des Magnetkörpers und Ankers durch deren Relativbewegung entstehen, aber durch
die jeweils unter den Magnetpolen liegenden Teile der wechselstromgespeisten Wicklung,
insbesondere der Ankerwicklung, hervorgerufen werden. Erfindungsgemäß werden auch
diese störenden Wechselfelder bei Verwendung eines im wesentlichen zeitlich konstanten
Gleichfeldes mittels Kompensationswicklungen unterdrückt bzw. aufgehoben. Diese
Kompensationswicklungen werden vorteilhaft in dem Luftspalt zwischen den Magnetpolen
und dem Anker angeordnet und zweckmäßig in die Magnetpolstirnflächen eingebettet.
Sie können in gleicher Weise wie die Kompensationswicklungen der erstgenannten,
bekannten Störfelder entweder wechselstromgespeist oder als in sich kurzgeschlossene
Wicklungen ausgebildet werden.
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Durch die Beseitigung des Einflusses störender Wechselfelder wird
außer einer erheblichen Verringerung der Wärmeverluste gleichzeitig der wesentliche
Vorteil erreicht, daß sämtliche elektrischen und mechanischen Größen angenähert
sinusförmig verlaufen und daß ferner die Amplitude der mechanischen Schwingbewegung
eine durch angelegte Ankerspannung und Felderregung vorgeschriebene Größe annimmt,
die sie auch bei vollkommenem Leerlauf nicht überschreitet und selbst bei starken
Belastungen des Antriebes weitgehend einzuhalten bestrebt ist. Hiermit ergibt sich
weiter eine weitgehende und genaue Amplitudenregelbarkeit durch Änderung der Felderregung
und bzw. oder der Ankerspannung.
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An Hand der Zeichnung wird die Erfindung noch näher erläutert.
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In Fig. I ist ein zylindrischer Magnetkörper I im Schnitt dargestellt.
Im Innern dieses Magnetkörpers ist eine Magneterregerwicklung 2 angeordnet, welche
von Gleichstrom durchflossen ist. Der Magnetkörper I umgibt einen zylindrischen
Schwinganker 3, an dessen Umfang zwei Anker-Wicklungen 4 und 5 angeordnet sind.
Diese Anker-Wicklungen werden an eine Wechselspannung angeschlossen. Der Magnetkörper
ist feststehend angeordnet, während der Ankerkörper 3 in an sich bekannter Weise
mittels in der Zeichnung nicht besonders dargestellter Federn mit dem Magnetkörper
I derart beweglich verbunden ist, daß er Schwingbewegungen in seiner Längsrichtung
ausführen kann.
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Werden die Ankerwicklungen 4 und 5 sowie die Magneterregerwicklungen
2 an Spannung gelegt; so erzeugt die Erregerwicklung 2 ein gleichbleibendes Magnetfeld,
welches den Magnetkörper I und den Schwinganker 3 durchdringt. Der Feldverlauf ist
in der Zeichnung durch die gestrichelte Linie 6 angedeutet. Durch die Wechselwirkung
zwischen diesem Magnetfeld und den Ankerwicklungen und 5 werden auf den beweglichen
Anker Schubkräfte in dessen Längsrichtung ausgeübt. Da die Ankerwicklungen 4 und
5, wie in der Zeichnung angedeutet ist, zueinander entgegengesetzten Wicklungssinn
haben, so summieren sich ihre durch das Magnetfeld 6 hervorgerufenen Schubkräfte,
und der Anker schwingt in seiner Längsrichtung hin und her. Diese Schwingbewegungen
erfolgen synchron mit der Frequenz der den Ankerwicklungen zugeführten Netzspannung
und nehmen beispielsweise bei sinusförmiger Netzspannung ebenfalls einen zumindest
angenähert sinusförmigen Verlauf an.
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Ein besonders störendes Wechselfeld wird nun bei der beschriebenen
Anordnung bekanntlich durch die jeweils zwischen den beiden Magnetpolen befindlichen
Teile der stromdurchflossenen Ankerwicklungen 4 und 5 hervorgerufen. Dieses Wechselfeld,
im folgenden kurz Mittelstörfeld, genannt, nimmt nämlich seinen Verlauf ebenfalls
nach der gestrichelten Linie 6 durch den Magnetkörper I und den Anker 3 und äußert
sich hierbei in einer wechselnden Schwächung und Stärkung des von der Erregerwicklung
2 erzeugten Gleichstromhauptfeldes. Dieses Mittelstörfeld kann in bekannter Weise
dadurch unschädlich gemacht werden, daß in dem Raum zwischen den beiden Polen des
Magnetkörpers I eine Kompensationswicklung 7 angeordnet wird. Diese Kompensationswicklung
kann beispielsweise aus einer mehrwindigen. Wicklung aus Kupfer oder einem anderen
elektrisch gut leitenden Metall bestehen und mit einem geeigneten Wechselstrom gespeist
werden. Vorteilhafter ist jedoch die Ausführung der Kompensationswicklung als eine
in sich geschlossene Kurzsehlußwicklung. Diese Kurzschlußwieklung kann ferner in
einzelne Kurzschlußringe aufgelöst werden oder, was bei dem dargestellten Schwingantrieb
besonders zweckmäßig ist, aus einer zylindrischen Kupferhülse bestehen, wie es in
der Zeichnung dargestellt ist. Sobald nunmehr das Mittelstörfeld aufzutreten beginnt,
ruft es in der Kompensationswicklung einen Strom hervor, der seinerseits ein Wechselfeld
erzeugt, welches dem Störfeld entgegenwirkt und dieses somit jederzeit schon im
Etatstehen kompensiert.
Durch die hierbei erreichte Konstanthaltung
des Hauptfeldes wird insbesondere der Vorteil erreicht, daß die in der Ankerwicklung
erzeugte Gegen EMK bei sinusförmigem mechanischem Vorgang ebenfalls sinusförmig
wird, wobei auch Ankerstrom und Schubkraft zum mindesten angenähert sinusförmig
werden und somit einen guten Wirkungsgrad ergeben.
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Weitere störende Wechselfelder werden jedoch, wie der Erfinder erkannt
hat, bei dem in Fig. I dargestellten Schwingantrieb durch diejenigen Teile der Ankerwicklungen
4 und 5 verursacht, die sich jeweils unter den Polflächen des Magnetkörpers I befinden.
Diese Wechselfelder nehmen ihren Verlauf nach der gestrichelten Linie 8 und verursachen
eine unerwünschte Verschiebung des Flusses. Auch zur Beseitigung dieser Störfelder,
im folgenden kurz Seitenstörfelder genannt, wird gemäß der Erfindung je eine Kompensationswicklung
9 vorgesehen, und zwar werden diese in dem Luftspalt zwischen den Polflächen und
dem Anker 3 angeordnet und, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, zweckmäßig
in Nuten der Polflächen eingebettet. Diese Kompensationswicklungen können ebenfalls
entweder wechselstromgespeist oder als in sich kurzgeschlossene Wicklungen ausgebildet
werden. Vorteilhaft werden diese Kompensationswicklungen, die unter beiden Polen
des Magnetkörpers anzubringen sind, in einzelne Kurzschlußringe unterteilt. Die
Aufhebung des störenden Einflusses der Seitenwechselfelder durch die beiden Kompensationswicklungen
9 geschieht in ähnlicher Weise durch von den Wicklungen erzeugte Gegenfelder wie
die Einflußaufhebung des Mittelstörfeldes durch die Kompensationswicklung 7.
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Beachtenswert ist bei dem in Fig. I dargestellten elektrodynamischen
Schwingantrieb noch, daß die Länge der beiden Ankerwicklungszonen erheblich größer
ist als die Pollänge des Magnetkörpers, und zwar um so viel größer, daß beim Schwingen
jederzeit der aus den Magnetpolen heraustretende Fluß vollständig durch die Wicklungszone
hindurchtritt. Bei einer solchen neuartigen Anordnung ist der insgesamt durch den
Ankerkernquerschnitt zu treibende Kraftfluß, also auch die Induktion im Ankereisen,
wesentlich geringer, was ebenfalls im Sinne einer Herabsetzung der von störenden
Wechselfeldern verursachten Verluste wirkt. Die Anordnung kann aber auch so getroffen
werden, daß die Länge der Pole größer gemacht wird als die Länge der Ankerzonen,
und zwar ebenfalls um so viel länger, daß beim Schwingen die Ankerzone jederzeit
unter den Magnetpolen liegt. Auch diese Maßnahmen sind nicht an das Vorhandensein
der Störfeldkompensationswicklungen gebunden, sondern können auch ohne diese bei
elektrodynamischen Schwingantrieben verschiedenster Art mit Vorteil angewandt werden.
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Die vorstehend an Hand des in Fig. I dargestellten Schwingantriebes
erläuterten Störfeldkompensationswicklungen nach der Erfindung können auch bei beliebig
anders ausgebildeten elektrodynamischen Schwingantrieben nach Belieben sämtlich
oder zum Teil sinngemäß vorgesehen werden. Um dies zu zeigen, ist in den Fig. 2
bis 6 die Anordnung der Kompensationswicklungen noch bei einer Reihe verschiedenartiger
und zum Teil auch neuartiger elektrodynamischer Schwingantriebe dargestellt.
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In Fig. 2 ist wiederum mit I der Magnetkörper und mit 3 der Anker
eines elektrodynamischen Schwingantriebes bezeichnet. Unterschiedlich gegenüber
dem Ausführungsbeispiel nach Fig, I ist jedoch, daß der Magnetkörper in eine größere
Anzahl kleinerer Pole und Erregerwicklungen 2a bis 2f unterteilt ist und daß auch
der Anker eine entsprechende Anzahl einzelner Wicklungen aufweist, die, wie in der
Zeichnung angedeutet ist, der Reihe nach jeweils gegeneinander umgekehrte Wicklungsrichtung
haben. Das von den Erregerwicklungen 2a bis 2f durch Magnetpole und Anker hindurchgetriebene
Hauptfeld ist durch die gestrichelten Linien I5 angedeutet. Die Länge der einzelnen
Wicklungszonen Io bis I4 ist in gleicher Weise wie nach Fig. I wiederum um so viel
größer als die Pollänge, daß bei einer auftretenden Schwingung jederzeit der aus
den Magnetpolen heraustretende Fluß vollständig durch die Wicklungszone hindurchtritt.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Störfeldkompensationswicklungen 7 und 9 zur Beseitigung
des Einflusses der Mittel- bzw. Seitenstörfelder sind bei diesem Schwingantrieb,
wie die Figur zeigt, ähnlich angeordnet wie bei Fig. I.
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Wie die Fig. 2 zeigt, ergibt sich durch die Unterteilung des Magnetkörpers
und des Ankers eine gestrecktere Bauform, welche in manchen Fällen sehr erwünscht
und auch unabhängig von den Störfeldkompensationswicklungen von Vorteil ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der eigentliche Kern I6
des Schwingankers feststehend angeordnet, so daß der Anker als Rohranker I7 ausgebildet
ist. Der feststehende Kern, I6 ist mit dem Magnetkörper I durch einen nichtmagnetischen
Körper I8 verbunden. Auch hier ist zur Aufhebung des unerwünschten Einflusses des
Mittelstörfeldes eine Kompensationswicklung 7, beispielsweise aus Kupferringen,
vorgesehen. Eine Kompensationswicklung gegen die Seitenstörfelder ist bei diesem
Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen. Der Kern I6 des Ankers kann massiv ausgeführt
werden, da in ihm im wesentlichen keine Veränderung bzw. Bewegung des Feldes stattfindet.
Der Rohranker r7 kann mit geringstem Eisenvolumen oder mit entsprechender Lamellierung
ausgeführt werden. Beispielsweise kann der Rohranker aus ringförmigen Blechlamellen
zusammengesetzt werden, die zweckmäßig auf eine dünnwandige Rohrhülse i9 aufgereiht
werden. Vorteilhaft erhalten die ringförmigen Blechlamellen an irgendeiner Stelle
ihres Umfanges einen radialen Spalt, um einen Wirbelstromfluß in ihnen zu verhüten.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. q, ist der in Fig. 3 mit 16
bezeichnete massive Kern mit dem Magnetkörper i zu einem einheitlichen Körper zusammengebaut.
Der Rohranker 17 ist in diesem Fall beispielsweise in durch die Ankerachse gelegten
Radialebenen
lamelliert. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist lediglich eine Kompensationswicklung
7 gegen das Mittelstörfeld vorgesehen.
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Bei dem Schwingantrieb nach Fig. 5 ist wiederum sowohl gegen das Mittel-
als auch gegen das Seitenstörfeld je eine Kompensationswicklung 7 bzw. 9 vorgesehen.
Auch dieser Schwingantrieb zeichnet sich durch eine besonders gestreckte Bauform
aus, da sich der gesamte, durch die Polflächen in den Kern I6 eintretende Fluß im
Kern auf zwei Pfade verteilen und daher der Kernquerschnitt geringer gemacht werden
kann.
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Die Ausführung nach Fig. 6 entspricht der Unterteilung des Magnetkörpers
und des Ankers nach Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, daß hier ein Rohranker I7
vorgesehen ist. In diesem Fall sind nur gegen die Mittelstörfelder Kompensationswicklungen
7 vorgesehen.
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Die in den Fig. I bis 6 dargestellten Schwingantriebe führen sämtlich
eine geradlinige Schwingbewegung aus. Selbstverständlich können die Störfeldkompensationswicklungen
nach der Erfindung auch bei elektrodynamischen Schwingantrieben mit anders geformten
Schwingungsbahnen vorgesehen werden, beispielsweise bei Schwingantrieben mit einer
kreisbogenförmigen Schwingbewegung oder auch bei derart zusammengesetzten Schwingantrieben,
die durch die Kombination mehrerer einzelner geradliniger oder auch gekrümmter Schwingbewegungen
eine in sich geschlossene Raumkurve beschreiben. Ferner können die Störfeldkompensationswicklungen
auch bei solchen Schwingantrieben mit Vorteil verwendet werden, bei denen das Magnetfeld
von einem Dauermagneten erzeugt wird. Auch ist es für die Erfindung grundsätzlich
belanglos, ob wie bei den besprochenen Ausführungsbeispielen der Magnetkörper den
Anker oder ob der Anker den Magnetkörper umschließt.