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Dynamischer elektromechanischer Wandler Die Erfindung betrifft einen
dynamischen elektromechanischen Wandler mit einem durch ein permanentmagnetisches
Gleichfeld erregten magnetischen Kreis und einer in einem Ringspalt des magnetischen
Gleichfeldes angeordneten und gegenüber dem magnetischen Kreis bewegbaren Ankerspule,
insbesondere Schwingantrieb für. Tauchkolbenverdichter. Ein dynamischer elektromechanischer
Wandler besteht im wesentlichen aus einem eisengeschlossenen magnetischen Kreis
und einer Ankerspule, die in einem Luftspalt des magnetischen Kreises frei beweglich
angeordnet ist und vom magnetischen Gleichfluß des magnetischen Kreises durchsetzt
bzw. durchdrungen wird. Die Ankerspule wird je nach Art und Anwendung des Wandlers
mit Gleichstrom, Stromimpulsen oder Wechselstrom gespeist und erfährt entsprechend
ihrer Windungszahl, dem Zeitwert des Stromes und der magnetischen Induktion im Luftspalt
Kräfte, auf Grund derer sie hin- und/oder hergehende Bewegungen ausführt. Bei Generatorbetrieb
wird die Ankerspule mechanisch hin- und/oder herbewegt, wodurch entsprechend der
Windungszahl der Ankerspule, ihrer Geschwindigkeit und der magnetischen Induktion
im Luftspalt elektrische Spannungen induziert werden, die elektrischen Verbrauchern
zugeführt werden können.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, die abmagnetisierende Wirkung des Ankerspulenflusses
auf den Permanentmagneten dadurch zu vermeiden, daß zur Kompensation des von der
Ankerspule erzeugten magnetischen Wechselfeldes mindestens eine an sich bekannte
Zusatzwicklung vorgesehen ist, daß diese den permanenten Magnetfluß durch feste
Anordnung auf dem Permanentmagnetfeld außerhalb des Ringspaltes umfaßt und daß diese
Zusatzwicklung aus dem Strom der Ankerspule durch Reihenschaltung gespeist wird.
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Auf diese Weise heben die entgegengerichteten magnetischen Flüsse
der Zusatzwicklung weitgehend diese abmagnetisierenden Kräfte auf, so daß die Wahl
des Arbeitspunktes maximalen oder nahezu maximalen Energieinhaltes auf der Entmagnetisierungskurve
des Permanentmagnetmaterials nunmehr möglich ist. Auch kann nach der Erfindung der
Wandler sehr viel höhere Ströme in der Ankerspule, z. B. infolge mechanischer Überlastungen,
verarbeiten, ohne daß bleibende schädliche Abmagnetisierungen des Magnetfeldes eintreten.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann eine der mit der Ankerspule
elektrisch in Reihe geschalteten und feststehenden Zusatzwicklungen, d. h. mit dem
magnetischen Kreis fest verbundene Zusatzwicklung, über elektrische Ventile gespeist
und so dimensioniert werden, daß der magnetische Fluß dieser Zusatzwicklung die
gleiche Richtung hat wie das erregende magnetische Feld des Permanentmagneten, diesen
also in seiner Wirkung unterstützt, und in jedem Falle gleich oder größer ist als
der Ankerspulenfluß in derjenigen Stellung der Ankerspule, in welcher diese ihren
größten magnetischen Fluß, bezogen auf die Stromeinheit, durch den magnetischen
Kreis treibt.
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Es leuchtet ein, daß bei Anwendung dieser weiteren erfinderischen
Maßnahme eine Abmagnetisierung des Permanentmagneten selbst bei größten Strömen
in der Ankerspule nicht mehr eintreten kann und man mit der geringsten Menge an
kostspieligem Magnetmaterial auskommt. Die über elektrische Ventile gespeiste Zusatzwicklung
hat naturgemäß keine aufhebende Wirkung für die vom Ankerspulenfluß induzierten
Wirbelströme im magnetischen Kreis des Wandlers.
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Die beiden beschriebenen Möglichkeiten nach der Erfindung, nämlich
eine elektrisch unmittelbar in Reihe mit der Ankerspule liegende Zusatzwicklung,
im folgenden Wicklung A genannt, und eine elektrisch über elektrische Ventile in
Reihe mit der Ankerspule liegende Zusatzwicklung, im folgenden Wicklung
B, wobei unter Wicklung B diese Zusatzwicklung einschließlich der
elektrischen Ventile als eine Einheit aufzufassen ist, lassen sich erfindungsgemäß
auf die verschiedene Weise kombinieren, wofür drei Grundbeispiele angegeben seien.
Die Wicklung A kann dabei fest oder beweglich angeordnet sein, während die Wicklung
B in jedem Fall fest mit dem magnetischen Kreis verbunden sein muß.
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Beispiel 1 Ankerspule und Wicklung A elektrisch in Reihe. Wirbelströme
und abmagnetisierende Wirkung des
Ankerspulenflusses weitgehend
aufgehoben, Anwendung kommt vornehmlich für Wandler kleinerer Leistung inFrage,
z. B. fürpermanentdynamische Schwingmotoren als Kompressorantriebe in Kleinkältemaschinen
für Haushalt Kühlschränke.
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Beispiel 2 Ankerspule -f- Wicklung B elektrisch in Reihe. Abmagnetisierende
Wirkung des Ankerspulenflusses vollkommen aufgehoben, beste Ausnutzung des Permanent-Magnetmaterials
möglich, Wirbelströme nicht aufgehoben. Diese Schaltung ist vornehmlich bei Wandlern
anzuwenden, welche stoßartigen großen überlastungen ausgesetzt sind.
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Beispiel 3 Ankerspule + Wicklung A -i- Wicklung B elektrisch
in Reihe. Abmagnetisierende Wirkung des Ankerspulenflusses vollkommen, Wirbelströme
weitgehend aufgehoben. Schaltung vor allem für Wandler größter Leistung.
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Weitere zusätzliche Wirkungen lassen sich dadurch erzielen, wenn der
magnetische Fluß der Wicklung B sehr viel stärker als der Ankerspulenfluß gewählt
wird. Der Wandler erhält dadurch eine andere Charakteristik, die sich vor allem
auf die Verstärkung der Anzugskraft auswirkt, z. B. kann diese Schaltung für permanentdynamische
Relais und permanentdynamische Schwingmotoren von Nutzen sein.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß man die Zusatzwicklungen,
vor allem die feststehenden, dazu benutzen kann, den Permanentmagneten erst nach
dem Zusammenbau des Wandlers aufzumagnetisieren, indem durch die Zusatzwicklungen
ein kurzer Impuls hoher Stromstärke hindurchgeschickt wird.
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Es ist bereits für elektrodynamische Hochtonlautsprecher bekannt,
eine Gegenspule unmittelbar im Ringspalt selbst gegenüber der Schwingspule feststehend
anzuordnen, die in der Weise mit der Schwingspule in Reihe geschaltet ist, daß sich
die magnetischen Wechselflüsse von Schwingspule und Gegenspule entgegenstehen und
nach Möglichkeit aufheben. Damit soll erreicht werden, daß die bei Hochtonlautsprechern
für einen einwandfreien Frequenzgang schädliche Impedanz der Schwingspule kompensiert
wird und der Hochtonlautsprecher einen praktisch reinen ohmschen Widerstand besitzt.
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Als Ausführungsbeispiele der Erfindung sind zwei permanentdynamische
Schwingmotoren als Wandler gewählt und in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
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Fig. 1 zeigt im rechten unteren Teil eine Ausführung, bei der eine
mit der Ankerspule elektrisch in Reihe geschaltete Zusatzwicklung im magnetischen
Kreis des Schwingmotors fest angeordnet ist, während der linke untere Teil zwei
Zusatzwicklungen mit einem punktiert gezeichneten Gleichrichter erkennen läßt; Fig.
2 zeigt eine Ausführung, bei der eine mit der Ankerspule elektrisch in Reihe geschaltete
Zusatzwicklung der Art A beweglich ist und mit der Ankerspule mechanisch fest verbunden
ist.
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In Fig. 1 ist 10 der mit einem Durchgangsloch versehene zentrale Permanentmagnetkern.
Der Weicheisenpfad des magnetischen Kreises wird durch den Topf 11, den Polring
12 und die Polplatte 13 gebildet. Der aus diesen Teilen gebildete Kreis stellt ein
sogenanntes Kernmagnetsystem dar. Der nicht magnetische Bolzen 14 hält mittels Scheibe
15 und Mutter 16 die Polplatte 13, Magnetkern 10 und Topf 11 zusammen. Der Flansch
17 des Bolzens 14 dient dabei als Widerlager und gleichzeitig zur Aufnahme der Schwingfeder
18, während der Führungsschaft 19 des Bolzens 14 zur genauen Führung des Ankers
20 dient.
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Der Anker 20 besteht im wesentlichen aus der im Luftspalt 21 des Magnetsystems
frei beweglichen Ankerspule 22, welche auf den Spulenkörper 23 mittels bekannter
Elektrolacke festgelegt ist. Der Anker 20 wird durch den vorzugsweise metallenen
Träger 24 vervollständigt, der mit dem Spulenkörper 23 fest verbunden ist. Durch
Zwischenlegen einer Metallscheibe 25 mit Lötfahne 26 zwischen Spulenkörper 23 und
Träger 24 wird der Wicklungsanfang 27 der Ankerspule 22 mit dem Träger 24 elektrisch
verbunden und über die Schwingfeder 18, die eine zweite Halterung in einer Eindrehung
des Trägers 24 findet, elektrisch an Masse des Schwingmotors herangeführt.
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In das Gewinde 28 der hohlen Abtriebsstange 29 des Trägers 24 können
die anzutreibenden Teile eingeschraubt werden. Die Führungsbuchse 30 des Trägers
24 gleitet auf dem Führungsschaft 19 des Bolzens 14 und sorgt dafür, daß sich die
Ankerspule 22 konzentrisch und ohne Berührung im ringförmigen Luftspalt 21 des Magnetsystems
bewegt.
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Ist der Verbraucher ein Tauchkolbenverdichter, z. B. ein Kleinkältekompressor,
für welchen Anwendungszweck Schwingmotoren nach Fig. 1 und 2 vornehmlich in Frage
kommen, so kann die Führung 19, 30 des Ankers 20 meist wegfallen, weil diese Aufgabe
vorteilhaft vom Verdichterkolben selbst übernommen wird.
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Die z. B. als zylindrische Schraubenfeder ausgebildeten Schwingfedern
18 und 31 sind so bemessen, daß sie zusammen mit der Masse des Ankers 20 und den
mit ihm verbundenen Massen der anzutreibenden Teile des Verbrauchers ein mechanisches
Schwingsystem bilden, dessen Eigenschwingungszahl gleich oder nahezu gleich der
Hubzahl des Schwingmotors ist, die im vorliegenden Falle mit der Frequenz des die
Ankerspule 22 durchfließenden Wechselstromes übereinstimmt. Da die Schwingfedern
18 und 31 hier gleichzeitig als Stromzuführung für die Ankerspule 22 dienen, muß
wenigstens eine Schwingfeder elektrisch isoliert sein. Die Schwingfeder 31 liegt
deswegen nicht unmittelbar auf dem metallenen Träger 24 auf. Ein Isolierstoffring
32 sorgt für die elektrische Isolierung, während die Metallscheibe 33 mit Lötfahne
34 und der Metallring 35 den Strompfad bilden, der das mit der Lötfahne 34 verlötete
Wicklungsende 36 der Ankerspule 22 mit der Schwingfeder 31 elektrisch verbindet.
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Das obere Gegenlager der Schwingfeder 31 wird durch einen Bügel
37 gebildet, wobei die elektrische Isolierung der Schwingfeder 31 durch den
Isolierring 38 gewährleistet ist. Der Bügel 37 ist mit dem Polring 12 des
Magnetsystems, z. B. durch Schrauben 39, verbunden. übrigens können an dem Bügel
37 die Verbraucher befestigt werden, während die anzutreibenden Teile der
Verbraucher, wie bereits erwähnt, mit der Abtriebsstange 29 zu verschrauben sind.
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Der in beschriebener Weise gebildete Strompfad vom Wicklungsende 36
der Ankerspule 22 bis zur Schwingfeder 31 wird fortgesetzt durch den Metallring
40 für die Schwingfeder 31, die metallene
Scheibe 41 mit Lötfahne
42 und die an die Lötfahne 42 angelötete elektrische Leitung 43, welche durch die
im Bügel 37 eingesetzte Isolierbuchse 44 nach außen geführt ist.
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Die mit der Masse des Schwingmotors mittels der Schraube 45 verschraubte
Lötöse 46 und die isoliert herausgeführte Leitung 43 bilden somit die beiden Anschlüsse
für die Ankerspule 22. Selbstverständlich kann auch der Wicklungsanfang 27 der Ankerspule
22, falls erforderlich, elektrisch isoliert aus dem Schwingmotor herausgeführt werden,
indem die Feder 18 ähnlich wie die Feder 31, elektrisch isoliert wird.
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Erfindungsgemäß liegt elektrisch in Reihe mit der Ankerspule 22 eine
Zusatzwicklung 47, die auf einem Spulenkörper 48 gewickelt ist und die den permanenten
Magnetkern 10 umschließt. Zur Festlegung der Zusatzwicklung 47 im Magnetsystem dient
das Rohr 49 aus Isolierstoff oder aus Metall, das zwischen Spulenkörpern 48 und
Polring 12 eingeklemmt ist.
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Der Wicklungsanfang 50 der Zusatzwicklung 4.7 ist mit der Lötöse 46
verlötet und liegt also elektrisch an Masse des Schwingmotors. Das Wicklungsende
51 ist durch die Isolierstoffbuchse 52 aus dem Magnetsystem des Schwingmotors herausgeführt
und bildet neben der Leitung 43 den zweiten Anschluß. Legt man an diese Anschlüsse
z. B. eine Wechselstromquelle 53, so durchfließt der elektrische Strom nacheinander
die Ankerspule 22 und die Zusatzwicklung 47.
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Sind Ankerspule 22 und Zusatzwicklung 4.7 in gleichem Wicklungssinn
gewickelt, so wird der magnetische Wechselfluß der Ankerspule 22 entgegengerichtet
sein. Es wird daher im magnetischen Kreis als Gegenfeld nur die Differenz dieser
beiden magnetischen Wechselflüsse wirksam. Durch richtige Dimensionierung der Zusatzwicklung
47, was z. B. empirisch durch Versuch geschieht, kann erreicht werden, daß im Sinne
der Erfindung die Differenz der magnetischen Wechselflüsse von Ankerspule 22 und
Zusatzwicklung 47 praktisch zu Null wird, so daß keine Schwächung des permanenten
Feldes eintritt.
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Wird auf hohe Kompensierung des magnetischen Wechselflusses- der Ankerspule
22 Wert gelegt, so kann ein Teil oder auch die gesamte Zusatzwicklung 47 in ringförmigen
Außennuten der Polplatte 13 untergebracht werden, so daß die Windungen dieses Teiles
der Zusatzwicklung 47 zentrisch zur Ankerspule 22 und dieser gegenüberliegen. Allerdings
müssen bei dieser Anordnung der Zusatzwicklung 4.7 im allgemeinen etwas größere
ohmsche Verluste in Kauf genommen worden.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, das ebenfalls eitlen p--rmanentdynamischen
Schwingmotor als Wandler nach der Erfindung darstellt, ist die Zusatzwicklung 58
gegenüber dem magnetischen Kreis beweglich und auf dem verlängerten Spulenkörper
23 der Anker spule 22a und 22b angeordnet, so daß Ankerspule22a/b
und Zusatzwicklung58 mechanisch fest mieinander verbunden sind.
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Die bewegliche Anordnung von Zusatzwicklungen nach der Erfindung hat
den Zweck, an den Zusatzwicklungen weitere elektrodynamische Kräfte wirksam werden
zu lassen bzw. elektrische Spannungen zu induzieren (Generatorbetrieb) und diese
Kräfte bzw. Spannungen möglichst für den Verbraucher nutzbar zu machen.
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Im vorliegenden Fall geschieht dies dadurch, daß im magnetischen Kreis
ein zweiter ringförmiger Luftspalt 57 vorgesehen ist, in welchem sich die Zusatzwicklung
58 in derselben Weise frei bewegt, wie die Ankerspule im Luftspalt 21.
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Der Luftspalt 57 wird dadurch gebildet, daß an Stelle des Topfes 11
des Magnetsystems der Ausführung nach Fig. 1 der Mantel 54, der Polring 55 und die
Polplatte 56 treten. Die drei genannten Bauteile bestehen ebenso wie der Topf 11
aus weichmagnetischem Eisen. Der Zusammenhalt des Magnetsystems wird durch den Fuß
63 erreicht, der beispielsweise aus einem gesinterten keramischen Werkstoff hergestellt
sein kann. Mit Schrauben 64 od. dgl. sind die Polringe 12 und 55 mit Mantel 54 auf
dem Fuß 63 befestigt, während die Befestigung der Polplatten 13 und 56 und des Magnetkernes
10 auf dem Fuß 63 durch den zentralen Bolzen 14 mit Scheibe 15 und Mutter 16 gewährleistet
ist.
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Durch die Unterteilung der Ankerspule in zwei übereinander gewickelte
Teilspulen 22a und 22b
wird vermieden; daß zumindest ein Wicklungsende der
Zusatzwicklung 58 getrennt an Masse des Schwingmotors herangeführt oder isoliert
aus dem Schwingmotor herausgeführt werden muß. Legt man eine Stromquelle an die
Anschlüsse 43 und 46, so durchfließt der Strom nacheinander die Teilspule 22 b der
Ankerspule, die Zusatzwicklung 53 und die Teilspule 22a der Ankerspule.
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Sind die Ankerspulen 22 a; b und die Zusatzwicklung 58 im gleichen
Wicklungssinn gewickelt, so haben ihre magnetischen Wechselflüsse entgegengesetzte
Richtungen, während die an ihnen wirkenden elektrodynamischen Kräfte gleichgerichtet
sind, weil die magnetischen Gleichfelder in den Luftspalten 21 und 57 entgegengerichtet
sind. Die mit der Erfindung beabsichtigte Wirkung ist damit gewährleistet, denn
die magnetischen Wechselflüsse von Ankerspule 22a/b und Zusatzwicklung _8 heben
sich bei richtiger Dimensionierung der Zusatzwicklung 58 praktisch auf, und die
an der Zusatzwicklung 58 auftretenden elektrodynamischen Kräfte haben die gleiche
Richtung wie die an der Ankerspule wirkenden elektrodynamischen Kräfte. und können
daher am Verbraucher nutzbar gemacht werden.
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Die Dimensionierung der Zusatzwicklung 58 ist hier besonders einfach.
Man braucht nur die Abmessungen der beiden Luftspalte 57 und 21 gleich zu machen,
dann ergibt sich von selbst, daß die Gesamtwindungszahl der Ankerspule
22 a/b und die Windungszahl der Zusatzwicklung 58 gleich sein müssen, wobei
die Wickelräume von Ankerspule 22a/b und Zusatzwicklung 58 ebenfalls in ihrer Größe
und den Abmessungen gleich sind, so daß auch die ohmschen Widerstände von Ankerspule
22 a/b und Zusatzwicklung 58 gleiche Werte besitzen. Es liegen also durch
die Ankerspule 22 a/b und die Zusatzwicklung 58 zwei vollkommen gleiche Wicklungen
vor, mit dem einzigen Unterschied, daß aus Gründen der einfacheren Stromzuführung
zu der Zusatzwicklung 58 die Ankerspule 22a/b in zwei Teilspulen aufgeteilt ist.
Auf Grund dieses mechanisch und elektrisch vollkommen symmetrischen Aufbaues des
Schwingmotors nach Fig. 2 könnte auch die Zusatzwicklung 58 als Ankerspule und die
Ankerspule 22a/b als Zusatzwicklung wirksam werden.
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Da die Zusatzwicklung 58 mit zur Abgabe von Nutzarbeit herangezogen
wird, im vorliegenden Falle sogar in gleicher Weise wie die Ankerspule 22a/b, so
leuchtet es ein, daß der Schwingmotor nach Fig. 2
mit besserem elektrisch-mechanischem
Wirkungsgrad arbeitet.
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Im linken unteren Teil der Fig. 1 sind noch zwei Zusatzwicklungen
47 und 47' gezeigt, die den Magnetkern 10 in seiner vollen Höhe umschließen. Die
obere Zusatzspule 47 ist mit ihrem Wicklungsanfang bei 45 an die Gehäusemasse angeschlossen,
wie dies die einzige Zusatzspule 47 im rechten Teil der Fig. 1 ebenfalls erkennen
läßt. Das Wicklungsende der linken Zusatzspule 47 führt zu dem punktiert gezeichneten
Gleichrichter 65, der über die Leitung 66 an das Netz 53 angeschlossen ist. Die
untere Zusatzwicklung 47 wird über den Gleichrichter 65 in Brückenschaltung gespeist.
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Es liegt also eine Reihenschaltung von der Ankerspule 22 der oberen
Zusatzspule 47 und der über den Gleichrichter 65 gespeisten unteren Zusatzspule
47' vor, wie es das Beispiel 3 am Anfang der Beschreibung ausführt. In gleicher
Weise kann auch in Fig. 2 um den permanenten Magnetsteg 10 eine solche Zusatzspule
47' fest angeordnet sein, wobei auch hier die Schaltung der Gleichrichter 65 gemäß
Fig. 1 anzuwenden ist.
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Für die Transformatorkopplung der Zusatzwicklung und ihrer Speisung
aus dem Ankerspulenstrom wird der Eisenkreis des Kernmagnetsystems nach Fig: 1 selbst
als Eisenkreis des Transformators verwendet. Die Ankerspule 22 ist dann als Primärspule
des Transformators anzusehen, während die Zusatzwicklung 47 die Sekundärspule darstellt
und deren Wicklungsenden kurzzuschließen sind. Dies geschieht beispielsweise dadurch,
daß das Wicklungsende 51 mit der Masse, d. h. an die Schraube 45, angeschlossen
wird, wobei did mit dem Wicklungsende 51 vorgesehene Stromzuführung zu der Stromquelle
53 bestehenbleibt bzw. ebenfalls an Masse anzuschließen ist. Die Windungszahl einer
solchen geschalteten Zusatzwicklung kann praktisch beliebig sein.