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Verfahren zum Betrieb von Elektromagnetmotoren Die, Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Betrieb von Elektromagnetmotoren, wie sie insbesondere bei elektromagnetischen
Schlagwerkzeugen Verwendung finden, deren Ankerbewegung durch eine oder mehrere
Magnetspulen mit zeitlich veränderlicher Durchflutung :erzeugt wird, und zwar ,in
der Weise, daß die bzw. jeweils eine Magnetspule in einem ständig geschlossenen
Stromkreis mit der Ankerwicklung eines Wechselstromerzeugers liegt.
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Um ein möglichst günstiges Arbeiten derartiger Magnetmotoren zu erzielen,
wird nach bekannten Anordnungen der zeitliche Verlauf der Spannung, die in der jeweils
der Magnetspule zugeordneten Wicklung des Stromerzeugers induziert wird, dem durch
mechanische Einflüsse bedingten zeitlichen Verlauf der Bewegung des Ankers möglichst
genau angeglichen, und zwar so, daß die Dauer der Spannungshalbwellen etwa der Dauer
des Nutzhubes oder Hinlaufs dies Ankers gleich ist, während in der Zeit des Rücklaufs
des Ankers die Spannung gleich oder nahezu gleich Null sein soll, um schädliche
Bremswirkungen während des Rücklaufs zu vermeiden.
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Es hat sich nun gezeigt, daß mit dieser bekannten Maßnahme zeitlich
an sich richtig bemessener Spannungshalbwellen ein einwandfreier Betrieb von Magnetmotoren
noch nicht möglich ist. Dies trifft insbesondere auf solche Motoren zu, deren Anker
durch nur eine Spule angetrieben wird, wobei der Rücklauf durch eine Fremdkraft,
z. B. eine Feder oder die Schwenkraft, bewirkt wird. Der Grund hierfür aiegt darin,
daß auch nach Abfallen
der jeweiligen Spannungshalbwelle auf Null
der von ihr hervorgerufene Strom in der Magnetspule nicht schnell genug auf Null
abfällt, sondern infolge ihrer Induktivität erst allmählich abklingt. Die Folge
davon ist weiter, daß der Anker am Ende seines Nutzhubes von der Spule nicht sofort
losgelassen wird, sondern von ihr im anschließenden Rücklauf stark abgebremst wird.
Erfahrungsgemäß ist diese Bremswirkung des abklingenden Stromes und damit die Verzögerung
dies Rücklaufs des Ankers so groß, daß ein frei fallender Anker überhaupt keinen
gemügend langen Rücklauf ausführen kann, um eine praktisch brauchbare Länge des
Nutzhubes zu erreichen. Erzwingt man den Rücklauf z. B. durch eine Feder oder durch
eine zweite Magnetspule, so muß notwendigerweise die im Nutzhab antreibende Magnetspule
einen um so stärkeren Strom führen. Der Wirkungsgrad der gesamten Energieumsetzung
wird also in jedem Fall schlecht.
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Dieser Mangel bekannter Anordnungen wird erfindungsgemäß dadurch behoben,
daß die Erregung der Magnetspule nicht durch einfache Spannungshalbwellen wechselnder
Polarität erfolgt, sondern in der Weise, daß an jede die Nutzarbeitbewirkende Spannungshalbwelle
unmittelbar anschließend eine kurzzeitige Spannungswelle von entgegengesetztem Vorzeichen
und von im allgemeinen kleinerer Amplitude und Zeitdauer angeschlossen wird. Zweck
und Wirkung dieser Hilfsspannungshalbwelle ist, den Strom in der Magnetspule möglichst
:genau im Augenblick der Beendigung des Hinlaufs des Ankers auf Null herunterzudrücken
.und dadurch ferner zu verhindern, daß im anschließenden Rücklauf des Ankers ein
.nochmaliges Wiederansteigen des Stromes mit entsprechender Bremswirkung stattfindet.
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In Fig. I der Zeichnung ist ein elektromagnetisches Schlagwerkzeug
einfachster Bauart mit nur einer Magnetspule dargestellt. Die Spule i zieht bei
Erregung den Anker 2 in sich hinein. Am Ende des Nutzhubes (Hinlaufs) schlägt der
Anker auf ein Werkzeug 3. Der Rücklauf wird durch eine Feder 4 bewirkt, die außerdem
den Anker am Ende des Rücklaufs elastisch auffängt. Die Magnetspule I ist mit der
Wicklung 5 eines Wechselstromgenerators in Reihe geschaltet, dessen Feldwicklung
6 von einer Gleichstromquelle gespeist wird.
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Fig. 2 zeigt den Weg-Zeit-Verlauf eines solchen Schlagwerkzeugs. Während
des Hinlaufs des Ankers wird dieser durch die Spule I stark beschleunigt, gibt am
Ende des Hinlaufs seine Schlagenergie mehr oder weniger vollständig an das Werkzeug
3 ab, so daß er ganz oder nahezu zur Ruhe kommt. Dann wird er durch die Feder 4
zurückgezogen. Die Dauer des Rücklaufs tr wird im allgemeinen wesentlich länger
sein -müssen .als die des Hinlaufs th, wenn man eine übermäßig starke Feder und
einen entsprechend starken Rückschlag des Schlagwerkzeugs vermeiden will.
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In Fig. 3 ist die vom Generator gelieferte Spannungswelle U dargestellt.
Der ihr entsprechende Strom 1 steigt auf einen Höchstwert an, bewirkt dadurch den
Hinlauf des Ankers und fällt gegen Ende des Hinlaufs schnell ab. Das Abfallen des
Stromes ist bei zeitlich im Verhältnis zur Hubzeit richtig ,bemessener Spannungshalbwelle
nicht nur durch das Absinken der Arbeitsspannung U selbst bedingt, sondern auch
durch die Gegen-EMK der Spule I, da trotz Verkleinerung des Stromes der magnetische
Fluß bis zum Hubende weiter anwächst. Am Ende des Hinlaufs fällt nun aber nicht,
wie erwünscht, der Strom ganz auf Null ab, sondern steigt im Gegenteil unter Umständen
noch wieder an als Folge einer jetzt generatorischen EMK, die durch den raschen
Abfall des magnetischen Feldes infolge des Herausziehens des Ankers aus der Spule
induziert wird und die die gleiche Richtung hat wie der Strom. Diese EMK hält daher
den Strom noch aufrecht; auch wenn die Generatorspannung bereits auf Null abgefallen
ist. Erst nach. Beginn der nächsten Spannungshalbwelle mit entgegengesetztem Vorzeichen
geht der Strom ganz auf Null zurück, um dann sofort anschließend in entgegengesetzter
Richtung anzusteigen und den nächsten Nutzhub des Ankers zu bewirken.
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Der jeweils während des Rücklaufs noch bestehenbleibende Reststrom
hat nun die äußerst nachteilige Wirkung, daß er den Rücklauf des Ankers abbremst
und verzögert, so daß die Rücklaufzeit größer wird und dadurch sogar der sekundlichen
Schlagzahl bestimmte Grenzen gesetzt sind. Ein Maß für die Bremswirkung gibt die
in Fig. 3 gestrichelt gezeichnete Strom-Zeit-Fläche.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, durch unsymmetrische, steil ansteigende
und flach abfallende Spannungshalbwellen ein entsprechend schnelles Ansteigen des
magnetischen Flusses und schnelles Verschwinden gegen Hubende zu erzielen. Eine
durchgreifende Abhilfe ist damit jedoch nicht erreichbar.
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Erfindungsgemäß werden der während des. Rückl:aufs sonst vorhandene
Reststrom und seine schädliche Bremswirkung dadurch völlig beseitigt, daß die während
eines Hinlaufs wirksame Spannung aus einer Halbwelle der eigentlichen Arbeitsspannung
und einer unmittelbar anschließenden Hilfsspannungshalbwelle von entgegengesetzter
Richtung und vorzugsweise kürzerer Dauer und kleinerer Amplitude zusammengesetzt
wird, wobei die Gesamtdauer beider Spannungshalbwellen etwa gleich der gewünschten
Hinlaufzeit gemacht wird. Ein solcher Spannungsverlauf ist in Fig.4 gezeigt. Hierin
ist U die Halbwelle der Arbeitsspannung, UH :die :der Hilfsspannung. Durch eine
solche zusammengesetzte Spannungskurve wird der Strom am Hubende zwangsweise auf
Null gebracht und außerdem der weitere Vorteil erreicht, daß die irr magnetischen
Kreis der Spule gegen Ende des Hinlaufs noch aufgespeicherte magnetische Energie
an den Generator zurückgeliefert wird, da Strom und Spannung während der Dauer der
Hilfsspannungshalbwelle entgegengesetzte Vorzeichen haben. Es ergibt sich also ein
Stromverlauf nach Kurve T der Fig.4, wobei die Dauer einer Stromhalbwelle -jeweils
gleich oder nahezu gleich der Hinlaufzeit
ist. Diese zeitliche Übereinstimmung
ist dann lediglich eine Frage richtiger Bemessung von Windungszahl und Leiterquerschnitt
der Magnetspule im Verhältnis zur Größe der Arbeitsspannung und zur Masse des Ankers.
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In grundsätzlich gleicher Art ist die erfindungsgemäße Betriebsweise
auch auf eine zweite Magnetspule anwendbar, die etwa an Stelle der Feder 4 angeordnet
wird, um den Rücklauf des Ankers zu bewirken. Ein derartiger Zweispulenmagnetmotor
kann zwar mit zeitlich richtig bemessenen Halbwellen der Arbeitsspannung auch ohne
Zuhilfenahme der vorliegenden Erfindung betrieben werden, jedoch nur mit dem eingangs
beschriebenen Mangel erheblicher Restströme während des jeweiligen Rücklaufs und
dadurch für eine gewünschte Schlagleistung entsprechend vergrößerter Gesamtspulenströme
und größerer Stromwärmeverluste. Durch Einfügung von Hilfsspannungshalbwellen, die
den verschieden langen Arbeitsspannungshalbwellen der Schlag- und Rückhubspule angepaßt
sind, kann auch hier ein reststromfreier Betrieb mit entsprechend höherem Wirkungsgrad
erzielt werden. Die Spannungs- und Stromhalbwellen verlaufen dann etwa nach Fig.
5.
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Die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Betriebsweise erforderlichen
zusammengesetzten Spannungswellen können in dem zur Erzeugung der typischen Arbeitsspannungswellen
sowieso notwendigen Generator in Sonderbauart durch eine geeignete Kombination von
Ankerspulen und induzierendem Magnetsystem erzeugt werden. Für einen Magnetmotor
mit nur einer Spule kann die Ankerwicklung des Generators beispielsweise nach Fig.
6 ausgeführt sein. Sie besteht aus Spulen i, i' und 2, 2', die gleichsinnig in Reihe
geschaltet sind, und einer gegensinnig dazu geschalteten Spule 3, 3'. Die Spule
3, 3' ist räumlich im Umlaufsinn des induzierenden Magnetsystems 4 mit Erregerwicklung
5 gegenüber der Spulengruppe i, 2 versetzt. Durch geeignete Polbreite des Feldmagnetkörpers
4 kann mit dieser Anordnung eine Spannungskurve nach Fig. 4, die sich aus den Teilspannungen
U und UH zusammensetzt, erreicht werden.
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Zur Speisung von zwei Magnetspulen entsprechend Fig. 5 ist eine Wicklungsanordnung
nach Fig. 7 zweckmäßig, die aus denselben Spulen i, 2 und 3, mit denen die Schlagspule
des Schlagwerkzeugs betrieben wird, und aus weiteren Ankerspulen 6, 6', 7, 7', 8,
8' und 9, 9' zur Erzeugung der Arbeitsspannungshalbwellen sowie einer Spule Io,
Io' zur Erzeugung der Hilfsspannungshalbwellen für die Rückhubspule des Schlagwerkzeugs
besteht. Die hiermit induzierten Gesamtspannungen entsprechen den Teilspannungen
US, UHS bzw. UR, UHR der Abb. 5.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mittels zusammengesetzter Spannungswellen
innerhalb eines Hinlaufs oder Nutzhubes des Ankers von Magnetmotoren kann auch für
jede andere Art von Magnetmotoren, z. B. Schwingankermotoren für geradlinige oder
Drehschwingungen, mit gleichem Vorteil, angewendet werden.