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Elektromagnetisch betriebene Kompressions-und Pumpvorrichtung Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektromagnetisch betriebene Kompressions- und Pumpvorrichtung
mit einem feststehenden ringförmigen Magnetkreis als Stator und einem entsprechenden
zylindrischen Rotor, der über ein elastisches Organ mit dem feststehenden Teil der
Vorrichtung derart verbunden ist, daß ihm eine bestimmte Rotationsschwingungsfrequenz
erteilt wird.
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Bei einem bekannten Verdichter dieser Art besteht das elastische Organ
aus einer auf Torsion beanspruchten Stabfeder. Am freien Ende derselben befindet
sich ein Rotor, dessen beide einander diametral gegenüberliegende Polschuhe in der
Ruhelage des schwingenden Systems nur teilweise mit den entsprechenden Polen des
Stators in Deckung sind. Dabei ergibt sich die Schwierigkeit, daß lediglich in der
einen Drehrichtung durch die magnetischen Feldlinien ein Drehmoment auf den Anker
ausgeübt wird, daß jedoch in der anderen Drehrichtung das Zurückschwingen des Rotors
lediglich durch die elastische Kraft der Stabfeder verursacht wird. Im übrigen ergibt
sich eine verhältnismäßig hohe Schwingungsfrequenz für das schwingende System, da
pro Schwingungsperiode der Netzspannung zwei Drehschwingungen des Ankers ausgeführt
werden.
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Gemäß der Erfindung ist der Stator mit radialen, untereinander verbundenen
Magnetpolen ausgerüstet, die in gerader Zahl vorhanden sind und deren gegenseitiger
Abstand im wesentlichen gleich der Breite der Polschuhe ist, mit welchen die hufeisenförmigen
oder bogenförmig gekrümmten Permanentmagnete des Rotors ausgerüstet sind, deren
Zahl halb so groß wie die Zahl der Pole des Stators ist, wobei die Permanentmagnete
des Rotors in ein unmagnetisches, jedoch den elektrischen Strom leitendes Material
eingelassen sind und sich in der Ruhelage des Rotors zwischen zwei benachbarten
Polen des Stators befinden. Der Vorteil dieser Anordnung besteht in der geringen
Schwingungsfrequenz des Rotors, da pro Periode der Netzspannung eine einzige Schwingung
des Rotors erfolgt. Außerdem wird der Rotor aus der Nullage, in welcher sich die
Polschuhe des Rotors zwischen zwei benachbarten Polschuhen des Stators befinden,
sowohl nach der einen als auch nach der anderen Richtung durch das Magnetfeld ausgelenkt.
Dabei tragen die Permanentmagnete des Rotors, abgesehen von der Festlegung der Richtung
der Auslenkung, erheblich zur Verstärkung der Auslenkkraft bei. Das unmagnetische,
jedoch elektrisch leitende Material, das die Permanentmagnete des Rotors umgibt,
beschleunigt schließlich die Bewegungsumkehr des schwingenden Systems. Soweit man
bereits bei einem Kältemittelverdichter Permanentmagnete im Anker verwendet hat,
waren dieselben am freien Ende eines elastischen und eine Pendelbewegung ausführenden
Schwingstabes befestigt. Diese Bauart eignet sich jedoch weniger für Kühlaggregate
hoher Leistung, da der elastische Stab dabei ziemlich lang gewählt werden muß, was
zu einer sperrigen Konstruktion führt. Auch muß man auf die Konstruktion dieses
elastischen Stabes besondere Sorgfalt verwenden. Durch die Anbringung der Permanentmagnete
in einem drehbeweglich gelagerten Rotor wird vor allem dadurch eine sehr gedrängte
Bauweise ermöglicht, daß statt eines hin- und herpendelnden Schwingstabes ein elastisches
Organ, beispielsweise in Form einer gekrümmten Blattfeder, verwendet werden kann.
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Bei einer anderen bekannten Bauart ist zwar auch ein Anker vorhanden,
der eine gewisse Drehschwingung ausführen kann. Diese ist jedoch von untergeordneter
Bedeutung, da hauptsächlich eine Längsschwingung des Ankers beabsichtigt ist.
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Zweckmäßig ist der Rotor über im wesentlichen quer zur Achse verlaufende
Arme mit den Kompressionsorganen verbunden, die durch in ortsfesten Zylindern gleitende
Kolben gebildet werden und derart angeordnet sind, daß bei jeder Drehschwingung
in der einen oder anderen Richtung wenigstens ein
Kolben seinen
Ansaughub -und mindestens ein Kolben seinen Verdichtungshub vornimmt. Hierdurch
ergibt sich eine besonders gleichmäßige Arbeitsweise des Verdichters.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Fig. 1 ist ein Aufriß im Schnitt einer Ausführungsform der Kompression"svörrichtung;
Fig. 1 a ist ein Schnitt nach der Linie I a-1 a in Fig. 1; Fig. 2 ist ein Schnitt
nach der Linie 11-II in Fig. 1; Fig. 3 ist ein Schnitt nach der Linie III-III in
Fig.1; Fig. 4 ist ein Schnitt ähnlich der Fig. 3, zeigt jedoch eine Modifikation
der Anordnung; Fig. 5 ist ein Aufriß im Schnitt einer Variante ähnlich der Fig.
1.
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Fig. 5 a ist ein Schnitt nach der Linie V a-V a in Fig. 5.
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Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 5 befindet sich die
Verdichtungsvorrichtung innerhalb eines Mantels 45, abgeschlossen durch einen Deckel
46, an welchem die Vorrichtung mittels der elastischen Organe 47, beispielsweise
in einer Anzahl von drei, aufgehängt ist.
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Der Körper der Verdichtungsvorrichtung besteht aus einem ringförmigen
Gehäuse 48, welches in seiner Mitte die Lager 49 und 50 trägt, wobei die letzteren
entweder glatte Lagerbüchsen oder auch Nadellager bzw. sonstige Wälzlager sein können.
Die Lager 49 und 50 tragen eine Welle 51, von der das Ende 51a fest verbunden ist
mit einer Blattfeder 52, die im wesentlichen nach einer Spirale gewickelt und mit
ihrem freien Ende an einem Verankerungsstück 53 (Fig.2), das an dein: den Körper
der Vorrichtung bildenden Gehäuse 48 angebracht ist, befestigt ist.
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Auf dem anderen Ende 51 b der Welle 51 ist ein Hebel 54 aufgekeilt,
vorzugsweise mit den beiden Schenkeln 55 und 56, deren Enden an den Kolbenstangen
57 der Kolben 57a angreifen, wobei sich die letzteren in den Zylindern 58
bewegen, die ebenfalls an dem Gehäuse 48 angebracht sind. Die Kolben 57 a
werden
von der Kolbenstange 57 so mitgenommen, daß sie in den Zylindern gleiten können,
deren Bohrung nach einem zu der Welle 51 (Fig. 1 a) konzentrischen Raum geformt
ist. Diese Zylinder stehen mit dem einen Ende mit dem Inneren des Mantels 45 in
Verbindung und sind von den Druck- bzw. Förderkammern 58 a in dem Zylinder 58 abgetrennt
durch die Ventile 57b, welche eine ähnliche Form haben wie die Kolben 57a
und ebenso wie die letzteren mit verformbaren elastischen Dichtungen versehen sind.
Die Welle 51 trägt in ihrer Mitte -einen zylindrischen Teil 59 aus einem
nichtmagnetischen, jedoch stromleitenden Metall, nachstehend als Rotor bezeichnet,
in welchen die Dauermagnete 60; 61, 62 und 63 eingelassen sind. Wie insbesondere
aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, haben diese Dauermagnete im wesentlichen die Form
eines Kreisbogens.
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Der Rotor 59 trägt außerdem die Wangen oder Polschuhe 64 aus einem
magnetischen Metall, die so angebracht sind, daß sie die Enden jedes der Dauermagnete
60 bis 63 überdecken und ein wenig über den Umfang des Rotors 59 hinaus hervorstehen.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, hat die Außenseite der Polschuhe
64 ebenfalls die Form eines zu dem Rotor 59 konzentrischen Kreisbogens. Die Dauermagnete
60 bis 63 sowie deren Polschuhe bilden einen polarisierten Anker, der zur Zusammenarbeit
mit einem von dem Gehäuse 48 getragenen Magnetkreis 65 bestimmt ist.
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Wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, besteht der Magnetkreis aus einem
durchlaufenden Joch 66, beispielsweise aus einem Stapel magnetischer Bleche, welches
die Hauptpole 67, 68, 69 und 70 sowie die Sekundär- bzw. Nebenpole 71, 72, 73 und
74 bildet, welch letztere sich zwischen den Hauptpolen befinden und so angeordnet
sind, daß in der Ruhelage die Polschuhe 64 der Dauermagnete 60 bis 63 jeweils den
ganzen freien Raum zwischen einem Haupt- und einem Nebenpol überdecken. Auf diese
Weise kann das von den verschiedenen Dauermagneten erzeugte permanente Magnetfeld
durch den Magnetkreis hindurch geschlossen werden.
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Als Beispiel sei hier angeführt, daß die von dem Dauermagnet 60 ausgehenden
Kraftlinien teilweise durch den Hauptpol 70 und teilweise durch die beiden Nebenpole
73 und 74 hindurchgehen können, wobei dieselben offensichtlich die Bahnen geringsten
magnetischen Widerstandes verfolgen.
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Die Hauptpole 67 bis 70 sind mit den Wicklungen 75 bzw. 76, 77 und
78 versehen, welche direkt mit Wechselstrom gespeist werden können.
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Das bei einer ersten Halbwelle des Wechselstroms zur Speisung der
Wicklungen erzeugte Magnetfeld hat offensichtlich das Bestreben, sich durch die
Dauermagnete 60 bis 63 hindurch zu schließen, so daß diese letzteren einer Verschiebung
unterworfen werden, durch welche der Rotor 59 gedreht wird, und zwar in dem Drehsinne,
bei welchem die Dauermagnete 60 bis 63 das Bestreben haben, eine Lage einzunehmen,
in welcher der Kraftlinienfluß einen Höchstwert erreicht.
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Bei der folgenden Halbwelle wird die Bewegung des Rotors augenscheinlich
umgekehrt, so daß der Rotor stetige Dauerschwingungen vollführt. Die mit der Welle
51 und damit auch mit dem Rotor verbundene Blattfeder 52 wird also durch den letzteren
auf Schwingungen beansprucht. Man wählt in an sich bekannter Weise die Eigenfrequenz
für den Leerlauf des Aggregats der beweglichen Teile, bestehend aus dem Rotor 59,
der Welle 51, den verschiedenen auf der Welle sitzenden Teilen und der Blattfeder
52, so, daß diese Eigenfrequenz - merklich geringer ist als diejenige des Wechselstroms
zur Speisung der Wicklungen, damit die erhaltene Schwingbewegung, wenn sie auch
synchron zu dem Speisestrom ist, doch mit demselben nicht in Resonanz kommt. Eine
Annäherung an die Resonanz kommt nur im normalen Betriebe der Vorrichtung zustande,
d. h. wenn das durch die in den Zylindern 58 gleitenden Kolben 57 a
verdichtete
Fludium sich in einem solchen Zustand befindet, daß die sich dabei ergebenden elastischen
Kräfte ausreichen, um die Eigenschwingungsfrequenz des beweglichen Aggregats zu
erhöhen, so daß diese letztere sich einem Wert nähert, der ein wenig niedriger ist
als die Frequenz des Wechselstroms zur Speisung der Wicklungen. Wie bei der Betrachtung
der Fig. 1 a leicht zu verstehen sein wird, vollführt der eine der Kolben
57a gerade seinen Saughub, wenn der andere Kolben seinen Verdichtungshub
vornimmt. Daraus folgt, daß die Hübe der beiden Kolben zu beiden Seiten der Gleichgewichtslage,
welche sie in der Ruhestellung der Vorrichtung einnehmen, genau gleich sind.
Die
Fig. 4 erläutert eine leichte Abänderung, derzufolge die in der Fig. 3 dargestellten
Nebenpole 71 bis 74 ersetzt sind durch die Hauptpole 71 a, 72 a,
73 a und
74 a, die mit den Wicklungen 75 a bis 78 a, ähnlich den Wicklungen
75 bis 78, versehen sind.
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Der bequemeren Ausführung des Magnetkreises wegen ist es gemäß der
Fig. 4 vorzuziehen, das Joch 66a dieses Magnetkreises so, wie es hier dargestellt
ist, auszubilden, d. h. also in der Form eines Ringes.
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Die Arbeitsweise der modifizierten Ausführung nach Fig. 4 ist offenbar
die gleiche, wie sie unter Bezugnahme auf die Fig. 3 beschrieben wurde, jedoch wird
es bei gleicher von der Vorrichtung abgegebenen Leistung möglich, die Außenabmessungen
der Vorrichtung zu vermindern und damit auch den Gesamtraumbedarf der Verdichtungsvorrichtung,
was für zahlreiche Fälle von Vorteil ist.
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Die Fig.5 zeigt eine Variante, bei welcher man sowohl den Magnetkreis
nach Fig. 3 als auch denjenigen nach Fig. 4 verwenden kann.
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Bei dieser Variante entfällt die Blattfeder 52 und wird ersetzt durch
einen Torsionsstab 79, dessen Ende 79 a in einem starren Halter 80 verankert ist;
der letztere wird von dem Teil des Gehäuses 48 getragen, zu dem auch das Lager 49
gehört, in welchem sich eine den Rotor 59 tragende Hohlwelle 511 dreht. Diese Hohlwelle
511 ruht außerdem in dem Lager 50 und ragt unten aus dem Gehäuse 48 hervor, wo sie
dann mit dem freien Ende 79 b des Torsionsstabes 79 fest verbunden ist. Die Hohlwelle
511 trägt ferner und auf die gleiche Weise wie die Welle 51 in Fig. 1 einen Hebel
54a mit den beiden Schenkeln 55a und 56a, die mit ihren Enden an die
Kolbenstangen 81 und 81 a sowie 82 und 82 a der vier Kolben 57 a angeschlossen
sind; die letzteren bewegen sich in den vier Zylindern 58 von der gleichen Konstruktion
wie die Zylinder nach Fig. 1 a. Diese Anordnung mit vier Zylindern gestattet den
Ausgleich der auf die Kolben übertragenen Kräfte, und infolgedessen wird auf die
Hohlwelle 511 keine schädliche Rückwirkung übertragen, was besonders vorteilhaft
ist, um jeden Verschleiß des Lagers 50 zu vermeiden. Außerdem wird es bei
dieser Anordnung möglich, einen mehrstufigen Kompressor zu konstruieren, bei welchem
die übertragenen Kräfte gleichfalls völlig ausgeglichen sind.