DE7017315U - Motor mit schwingeden antriebselementen. - Google Patents

Description

PATENTANWALT

DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

β München 7i. S. hai 1970

Melchiorstraße 42

Mein Zeichen: M102G-JG6

Motorola, Ine«

9401 West Grand Avenue

Franklin Park,, Illinois

V.Sfc.A.

g en üblichen Preisen geliefert.

G «44 (Ä.69) Deut·*·» Patentamt, GebraudisiMisferatelle

«sit

Dio Erfindung betrifft einen Motor mit "bei bestimmter Betriebsfrequenz schwingenden Antriebselemente^ wobei das erste Antriebseiement ait einer bestimmten ersten Auslenkung hin und her geht.

Es ist allgemein bekannt, hin und her gehende Kolbenmechanieai en mit Hilfe sich drehender Antriebselemente * z.B. mit einem Induktionsmotor,; anzusteuern. Bei einsss solchen Antriebssystem ist es erforderlich, die Drehbewegung des Motors in eine hin und her gehende Bewegung rait Hilfe eines geeigneten übertraguagsmechanieiaus umzuwandeln, welcher mehrere aufeinander reibende Gleitflächen besitzt. Zur Überwindung der sich dadurch ergebenden Reibung müssen derartige Kotore entsprechend grosser dimensioniert werden. Für aine Vielzahl von Anwendungs«

Fe/wi fällen

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fällen sind derartige Antriebssysteme zu kompliziert aufgebaut und daher auch verhältnlsxaässig teuer. In einem speziellen Anwendungsgebiet, und zwar beim Bau von Kühleinrichtungen,.werden derartige Motore für Kompressoren benötigt, die sehr einfach und kostensparend aufgebaut sein sollen und überdies im Betrieb nur einen geringen elektrischen Energiebedarf haben, so dass derartige Kühleinrichtungen auch aus Gleichstrombatterien mit Hilfe von Wechselrichtern betrieben werden können, wenn dies bei der Verwendung von Induktionsmotoren wegen des hohen Energiebedarfs praktisch nicht mehr der Fall ist.

Es ist bereits bekannt_t anstelle eines Induktionsmotors zum Antrieb eines Kompressors einen Elektromagneten zu verwenden, dessen Anker direkt mit dem Kompressorkolben verbunden ist. Der Elektromagnet wird mit einem Wechselstrojüsignal angesteu^· ^: crt und besitzt einen federnd aufgehängten Anker. Die hin und her gehende Bewegung des Ankers aufgrund der Wechselstromansteuerung wird somit direkt sur hin und her gehenden Ver»? Schiebung des Kompressorkolbens benutzt. Ein Antriebssystem dieser Art besitzt einen ganz wesentlichen Nachteil darin, dass der Anker immer über den gesamten Kolbenhub verschoben werden und ausserdein eine verhältnismässig grosse Masse aufweisen muss, damit eine ausreichende Leistung auf den Kolben übertragen wird. Aufgrund der grossen Masse des Ankers ergibt sich auch ein verhältnisaässig grosser Luftspalt, so dass ein derart aufgebauter Magnetkolbeniaotor verhältnisoäesig unwirtschaftlich ist.

Ein weiterer bekannter Motor mit hin und her gehendem Antriebesystem besteht aus einer Spule, die in dem Luftspalt eines Permanentmagneten angeordnet ist und von einem Wechselstromsignal durchflossen wird. Die Spule ist über einen Bolzen direkt mit dem hin und her gehenden Kolben des Kompressors

- 2 - verbunden

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Federaufhängung vorgesehen. Ferner ist es möglich, eine weitere .Feder mit der Spule z>u vex-ulüden, die aufgx-uud ihrer Pe

verbunden. Um die Spule innerhalb des Luftspaltes der Permanentmagneten zu zentrieren bzw. freibeweglioh zu haltern, 1st eine

konstante dafür sorgt, dass die Resonanzfrequenz der von der I Spule ausgeführten Schwingung mit der Frequenz des angelegten WechselBtromsignals übereinstimmt. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Motors verbessert. Ein derartiges Antriebssystem findet z.B. bei dynamischen Lautsprechern Verwendung. Da der Luftspalt, in dem sich die Spule bewegt, verhältnismässig gross sein muss, und da die Auslenkung der Spule genau so gross ist wie die Auslenkung eines daran befestigten Kolbens, ist der Wirkungsgrad eines solchen Motors verhältnismässig gering. Ein derart aufgebauter Motor ist wegen seines groseen erforderlichen Magneten auch verhältnismässig schwer und teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor mit einem mit bestimmter Betriebefrequenz schwingenden Antriebselement zu schaffen, wobei ein mit verhältniamäesig grosser Auslenkung hin und her gehender Kolben von einem AntriebseltOont aus angesteuert wird, das nur eine geringe Auslenkung benötigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein zweites schwingendes Antriebselement mit einer bestimmten zweiten Auslenkung his und her geht, wobei die zweite Auslenkung grosser 1st als die erste Auslenkung, und dass ein federndes Koppelelement das erste und zweite Ai'.triebselement zu einem gekoppelten Schwingungssystem vorbindet, dessen Resonanzfrequenz mit der Betriebsfrequenz zusammenfällt, so dass die Auslenkung des zweiten Antriebselementes über das Koppelelement auf ein Vielfaches der Auslenkung des ersten Antriebselements vergrössert wird.

- 5 - Weitere

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Weitere iierkmale der Erfindung 3ind Gegenstand von Unteraneprüehen.

In besonders vorteilhafter \,e*^ris lässt sich die Erfindmg bei einem Hagne ^Kolbenmotor bsw. einem Piezo-Kolbenmotor verwirklichen, bei welchen das erste Antriebselement entweder «us dem Anker eines «'schselstromangesteuerten Elektromagneten oder aus einem wechselstromangesteuerten piezoelektrischen Doppelkristall besteht. Bei jedem der speziellen Anwendungsfälle schwingt das Antriebselement mit einer begrenzten Amplitude bsw. Auslenkung hin und her, wogegen das federnden angekoppelte zweite Antriebselement in Fora eines Kolben eine hin und her gehende Bewegung mit einer um ein Vielfaches grosseren Amplitude baw. Auslenkung ausführt. Bei dem erfindungsgemässen Motor läset sich eine sehr hohe Wirtschaftlichkeit aufgrund <3er Tatsache erreichen, dass bei dem elektromagnetischen System zwischen dem Anker und dem Kern des Elektromagneten nur ein sehr schmaler Luftspalt benötigt wird. Bei der Verwendung eines piezoelektrischen Systems lässt sich der günstige Wirkungsgrad derartiger Systeme in vollem Umfang ausnützen«

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf das Mocot gehäuse_t in dem ein Motor gemäss der Erfind\ ag :aont*ert ist?

Pig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 der Fig. 1; Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 1;

- 4 - Fig. 4

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Fig. 4 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsfora der Erfindung;

Fig. 5 sins gs schnitt bus Teilensicfet einer «eiteren Ausführung s form der Erfindung;

Fig. 6 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsfora der Erfindung, die eine Ahänderung des Motortyps gemäss Fig. 5 darstellt.

In den einzelnen Figuren der Zeichnung sind gleiche !Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen*

In den Fig. 1 bis 3 ist ein Magnet-Kolbenmotor gemäss der Erfindung dargestellt, wie er vorzugsweise als Kompressormotor Verwendung findet. Der Motor ist in einem zylindrischen Gehäuse 13 montiert, das an seinein oberen Ende mit einem Deckel 10 verschlossen ist. Mit dem Gehäuse ist ein Ansaugrohr 11 verbunden, über welches dem Kompressor ein Arbeitsgas zugeführt wird, das nach der Verdichtung durch den Motor über ein im Gehäuse montiertes Auslaserohr 12 austritt. Das Gehäuse 13 ist gasdicht,und entsprechend sind die durch den Deckel geführten Ansaug- und Auslassrohre 11 und 12 durch Dichtringe geführt, die ein Auslecken des Gases aus dem Gehäuse 13 verhindern.

Der Kompressormotor gemäss der Erfindung ist ferner in einem zweiten inneren Gehäuse 16 angeordnet_t welches am unteren und oberen Ende durch je ein Paar nachgiebiger Däinpfungsfedern und 18 bzw. 19 und 20 gehaltert ist. Diese Däiapfungefedern ermöglichen, dass das innere Gehäuse 3 6 im äusaeren Gehäuse schwebt und einer Übertragung von Schwingungen von Motor auf das äussere Gehäuse 13 ontg> ;£nwirkt. Wie aus den Fig.l und

5 - erkennbar

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erkennbar, ist der Motor elektromagnetisch angetrieben und "oe- :-»■··*/, einen lemellierten Ε-Kern, der am oberen Ende im Gehäuse '.'. -λ der Weise befestigt ist, dass die äusseren Schenkel dee K- irnes mit ή eis inneren Gehäuse 16 ans oberen Ende befestigt sind ο Die einzelnen Scheiben des laxnellierten Kernes 22 worden mit Nieten 21 zusammengehalten. Es wird ein lameliierter Kern verwendet, um die Verlustleistung zu erniedrigen, d.h. die Erzeugung von Wärme möglichst gering zu halten. Zum Antrieb des Motors ist eine Wickj ~'<g 23 auf dem inneren Schenkel 32 des Kernes angeordnet, die Εit einem Wechselstromsign&l über die Leitungen 24 und 25 beaufschlagt wird, welche mit den durch die Ringdichtung 15 verlaufenden Anschlusstiften 2? und 28 verbunden sind. Die Anschlusstifte 27 und 28 können mit einer geeigneten» nicht dargestellten Wechselstromquelle verbunden sein, die im vorliegenden Beispiel eine Spannung von 120 Volfe bei 60 Hz liefert. Es ist selbstverständlich auch möglich, den Motor mit Hilfe einer Batterie über einen Wechselrichter anzutreiben.

Die äusseren Schenkel 30 und 31 des E-Kernes 22 sind länger als der innere Schenkel 32, wodurch eich der Arbeitsluftspalt praktisch auf den Luftspelt zwischen dem inneren Schenkel und dem Anker 35 beschränkt und die Luftupalte zwischen dem Anker und den beiden äusseren Schenkeln auf die Betriebsfunktion keinen Einfluss haben. Der ebenfalls lamellierte Anker 35 liegt unterhalb des mittleren Schenkels 32 und erstreckt sich über die gesamte Breite zwischen den beiden äusseren Schenkeln 30 und 31. Dadurch wird für den Betrieb des Elektromagneten ein geschlossener Magnetfluss gewährleistet. Der Anker 35 ist ferner iai Zentrumsbereich mit einem Ansatz 36 versehen und besitzt dadurch die Form eines T. Der Ansatz 36 wird im inneren Gehäuse 16 von zwei verhältnismäseig *teifen Blattfedern 38 und 39 gehalten, die in öinom gewisse α Aö-rbar.d voneinander

- 6 - angeordnet

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angeordnet und durch Schrauben 40 und 41 am inneren Gehäuse 16 befestigt sind. Diese Blattfedern 38 und 39 sind an Ansät« 36 mit Hilfe von zwei Abstandsecheiben 43 und 44 befestigt, welche in ihrer Position ait Hilfe yen auf des. Ansa*? 36 aufgeeehPÄiib— ten Klemmsehranben 46 fixiert sind. Die Blattfedern 38 und 39 besitzen eine korn'! inier te Federkonstante von ungefähr 67,5 kp für eine Auslenkung dee Ankers 35 von etwa 1 mm. In entspannter Lage wird der Anker 35 durch die Blattfedern in einer Position etwa in der Kitte zwischen den beiden in. Fig. 2 und 3 dargestellten Positionen gehalten. Die freie Resonanzfrequenz des Antriebsmechanismus einschliesslich der Blattfedern 38 und 39 liegt bei ungefähr 250 Hz.

Dieser Antriebsmechanismus für den Anker ist auf der einen Seite mit einer Schraubenfeder 50 verbunden, die in einer Bohrung des Ansatzes 36 sit Hilfe eine¹" rts.denschrau'oe 51 festgehalten ist. Das andere Ende der Schraubenfeder 50 wird in einem Ansatz ti ines Kolbenverbindungsstückes 53 ebenfalls nit einer Madenschraube 56 festgehalten. Das Kolbenverbindungestück 53 ist seinerseits mit einem hohlen Kolben 5* verlötet oder verschweißet, der in einem aus eines Teil des inneren Gehäuses 16 gebildeten Zylinder 55 verschiebbar gehaltert ist.

Die Federeigenschaften der Schraubenfeder 50 slxtt :art ausgewählt, dass sie zusammen mit der Masse *·* «■ /j-oenverbindungsstückes 53 sowie des Kolbens 54 ein Resonanzsystem bilden, das eine Resonanzfrequenz bei 120 Hz aufweist. Da der Anker 35 von dem Elektromagneten bei einer, an die Spule 23 angelegten 60 Es Wechselstromsignal mit einer Frequenz von 120 Hz angezogen und abgestossen wird, verursacht die durch den Elektromagneten dem Anker 35 aufgezwungene Bewegung dio Feder 50 und den Kolben 5* sich mit einer Frequenz von 120 Hz hin und her zu bewegen. Da die Resonanzfrequenz dea Systems mit der Feder 50 sorgfältig

- 7 - an

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an die Frequenz angepasst ist, alt welcher der Anker 35 angetrieben wirdρ ergibt sich eine mechanische Impedanzanpassung zwischen dem Anker· 35 und dem Kolben 5^» die eine Vergrösserung der Schwingamplitude des Ankers 35 in der Weise bewirkt, dass der angetriebene Kolben y± mit einer im Verhältnis wesentlich grosseren Schwingamplitude schwingt. Es ist z.B. möglich, den Kolben 54 derart anzusteuern, dass er eine etwa 12-fach grössere Auslenkung aufweist als der Anker 35·

Di© Blattfedern 38 und 39 dienen bei dem Motor geniäss den Fig. 2 und 3 einer Vielzahl von Funktionen. Sie geben zunächst eine mechanische Halterung und Ausrichtung des gesamten sich bewegenden Systems, wie es zuvor beschrieben wurde. Ferner epeichern die Blattfedern 38 und 39 die unsymmetrische mechanische Energie, Vielehe vom Ankor 35 herrührt ,und setzen diese in eine sjechonische sowie symmetrisch sinusförmig« Antriebskraft für daa ochviing3ystom aus der Schraubenfeder und dem Kolbenverbindungsstück aovie dein Kolben 53 bzw. 5^ um· Durch das Vorsehen einer steifen Antriebsqueile für die die Resonanzfrequenz koppelnde Schraubenfeder 50 v.'ird durch die Blattfedern 38 und 39 verhindert, dass d&3 System von einer 90° Phasenverschiebung beeinflusst wird, v/elcho zwischen den zwei mechanischen Hälften eines unter dynamischen Bedingungen sich bewegenden Systems existiert.

Der hohle Kolben 5^ wird innerhalb des Zylinders 55 in einer für Kompressoren von Kühlaggregaten herkömmlichen Weise hin und her bewegt. In Pig. 2 ist der Zylinder in seiner untersten Lage dargestellt, in welcher ein Anseugventil 57 am unteren Ende des Kolbens 5^ geschlossen und ein Auslassventil 58 am unteren Ende des Zylinders 55 geöffnet ist. Am Boden das inneren Gehäuses ist eine Druckkammer 59 vorgesehen, die an de» inneren Gehäuse 16 mit Hilfe geeigneter Befestigungsmittel, s.B» mit Bolzen-

- 3 - schrauben

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schrauben 60 befestigt ist. Das komprimierte Gas wird aus dem Zylinder 55 durch d&s offene Auslassventil 58 in die Druckkammer 59 verdrängt und schliesslich über das Auelassrohr 12 ausgestoasen. Um den gewünschten Druck aufzuhauen, bositzt das Auslassventil 5-9 eine verhä.ltnisnjässig steife Ventilfeder 62. gegen deren Kraft das Ventil aufgedrückt werden muse. Diese Feder wird bezüglich ihrer Eigenschaften entsprechend den ge^ wünschten Druck ausgewählt. Der konstruktive Aufbau der Kompressionskaatsier 59 sowie des Kolbens 54 und des Zylinders 55 kann in herkömmlicher Weise wie bei Kompressoren für Kühleinrichtungen ausgeführt sein«

Das dem Kompressor über aas Ansaugrohr 11 zugefübrte Gas tritt durch eine öffnung 65 im oberen_t direkt über dem Kern 22 und der WiCkI¹HIg 23 liegenden Teil des ixineren Gehäuses 16 in die= sas ein,. Dieses Gas fliesst an dein Kern des Elektromagneten und der Wicklung vorbei und bewirkt für diese Teile eine Kühlung. Aus Fig. 5 ist zu entnehmen, dass das Gas dabei zwischen der Wicklung 2J und den äusseren Begrenzungen des inneren Gehäuses 16 beiderseits der Spule hindurchtritt. Die Blattfedern 38 und 39 sind seit öffnungen 66 versehen, durch welche das Gas hindurchßtrömen kann und damit indan grosseren Teil des inneren Gehäuses gelangt, in welchem die Resonanz-Schraubenfeder 50 untergebracht ist. Von diesem Gehäuseteil aus dringt das Gas dann in den Kolben 54 von oben her ein und flieset während des surüeklaufenden Hubs des Kolbens, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, durch das offene Ansaugvöntil 57 in einen Hohlraum, der swisehen dem unteren finde des Solbens 5^ und dem nunmehr geschlossenen Auslassventil 58 3ich ausbildet.

Wie aus Fig. 3 zu entnehraeu ist, befindet sich ein Ansaugstutzen 6? in der Wandung des inneren Gehäuses 16, welcher das Innere des Gehäuses 16 eI'c deic Inneren des Gehäuses 13

verbindet

verbindet. Auf dem in den Raum ζ wie eben den beiden Gehäusen verlaufenden Ende des Ansaugstutzens befindet sieh ein Netzfilter 69t 4*8 auch mit einem saugfähigen Teil versehen sein kann, der ηit einem Schmiermittel getränkt ist. Auf diese Weise wird von dsr durch Cl SH AnS£US£t;U.1iS2Ii ^^ cm&mnn-ntr+.&n T.iif·*: ieweils eine geringe Menge d«s Schmiermittels in das Innere des Gehäuses 16 mitgenommen, was für die Schmierung des Kolbens 54 ausreicht. Einen derartigen Ansaugstutzen für das Schmiermittel bei einem Kompressormotor vorzusehen ist üblich, wobei das Schmiermittel aus einem Vorratsbehälter entnommen werden kann, der sich in dem Hauta syrischen dem Gehäuse 13 und dem Gehäuse 16 befindet und am Boden dieser Gehäuse angeordnet ist.

In Pig. 2 ist dsr Kolben 54- und der Anker 35 jeweils in der untersten Lage dargestellt, wogegen in Fig. 3 der Kolben 54 und der Anker 35 ia der obersten Lage dargestellt ist, damit die unterschiedliche relative Auslenkung der beiden aus der vergleichenden Betrachtung leicht zu entnehmen ist. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, dass im praktischen Betrieb eine 90° Phasenverschiebung zwischen der Auslenkung dieser beiden Teile besteht, so dass au keiner Zeit während des dynamischen Betriebs der Anordnung der Anker 35 und de* Kolben yv gleichzeitig die oberste und unterste Extremlage einnehmen.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform eines elektromagnetisch angetriebenen Kompressormotors dargestellt, der im Prinzip dem Hotor geaäss den Fig. 1 bis 3 entspricht. Der einzige unterschiedliche Aufbau besteht in der Ausbildung der verwendeten Ankaranordnung. Es wird daher auch im wesentlichen nur diese beschrieben_o

^ 10 - Der

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Der Anker des ttagnet-Kolbeneotors genäse Fig· 4 besitst dl« Form eines Hohleylinders 70, der aus magnetischen Material hergestellt ist und einen oberen Teil 71 aufweist, der In wesentlich^., -sn inneren Schenkel 32 des Elektromagneten in derseit Ie 4er Anker 35 gemäss Fig. 2 -and 3 enge» passt ist. sere Ende 71 des Hohlzylinders 70 ist ebenfalls mechani ?ch eine steife Blattfeder 72 gehaltert, die von derselben Art ist wie die Blattfedern 38 und 39* Die Seiten des Hohlzylinders 70 verlaufen nach unten und umgeben die Schraubenfeder 50, welche am unteren Ende mit dem Hohlzylinder 70 entlang der untersten Windung verklemmt ist, wobei diese Windung zwischen dem Hohlzylinder 70 und einem auf» geschrertbten Klemmstück 75 verspannt wird.

Das untere Ende des Hohl Zylinders 70 und das Klemmstück 73 werden vom Zylinder 55 der Kompressor pumpe mit Hilfe von zwei weiteren steifen Blattfedern 74 und 75 gehaltert, welche auf der Auseenseite des Zylinders 75 mit Hilfe von zwei Abstandsscheiben 77 und 73 festgelegt sind und entlang ihrem äusseren Umfang durch eine Absfcandsscheibe 79 arf einem gewissen Abstand voneinander gehalten werden. Ein aia Boden der Anordnung angebrachter Klemmring 80 hält den gesamten Aufbau zusammen» Im Innern wird der Aufbau von zwei Schraubmuttern gehalten, die auf den Zylinder 55 aufgeschraubt sind und die Blattfedern 74 und 75 zwischen den Schraubauttern und dem Klemmring 80 verspannen. Auf öiase Weise werden dje drei Blattfedern 72, 74 und ?5 fest lit dem inneren Gehäuse 16 verbunden, um den hohl zylindrischen Anker 70 zu halten und zu zentrieren» Das obere Ende der Schraubenfeder 50 wird dann gemäss Fig. 4 mit dem oberen Ende des Kolbens 5^ verbunden, wofür ein Klemmstück 82 Verwendung findet, das mit dem Kolbenverbindungsatück 53 übsr geeignete Befestigungsmittel_f a.B. Schrauben od. dgl.,

Il - verbunden

verbunden ist. Der Kolben 5^ kann sich frei innerhalb des Zylinders 55 in derselben w>V*e bewegen, wie dies vorausgehend anhand von Fig. 2 -u.:. ■·, aaechrieben ist.

Der Aufbau des Magnet-Kolbenmotors gemäss Fig. 4· biett ' die Moglichkait, einen wesentlich kompakteren Motor zu bautu,., da die öchraubenfeder 50 auf der Unterseite des hohlzylindrischen Ankers befestigt ist und um die Zylinder- und Kolbenanordnung herum verläuft, während der Hohlzylinder 70 die Schraubenfeder 50 umgibt.

Bei den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ist die Hasse des Ankers und der Blattfedern derart ausgewählt, dass sie eine um mehrere Grössenordnungen grosser« mechanische Energie speichern können, als für den Antrieb der Resonanzpumpenanordnung aus der Schraubenfeder 50 und dem Kolben 5A- no-cig ist. Dies stellt sicher, dass nur eine minimale Änderung der Resonanzfrequenz unter den Bedingungen ßich ändernden Druckes entsprechend der Betriebsweise des Kompressormotors auftritt.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungeform der Erfindung dargestellt, wobei die Elektromagnetanordnung durch ein piezoelektrisches Antriebssystem ersetzt ist. Dieses piezoelektrische Antriebssystem besteht aus einer Metallplatte 90, welche innerhalb des inneren Gehäuses 16 montiert und mit diesem in einer ähnlichen Weise verklemmt ist, wie dies bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen mit Hilfe der Blattfedern 38, 39 bzw. 72, 74,75 erfolgt ist. Diese Metallplatte besteht vorzugsweise aus einer Stahlsorte mit einer bestimmten Eisen-Nickel-Legierung und einem niederen linearen Ausdehnungskoeffizienten. Die Metallplatte 90 besteht aus einer Kreiaecheibe und zwei nickelplattierten piezoelektrischen Keramikscheiben 91 und 92 in ein im Zwei-Elementen-Aufbau, die

- 12 - mit

nit der Metallplatte verklebt sind. Die eine Keramikscheibe 91 befindet sich auf der Oberseite und die andere Keramikscheibe 92 auf der Unterseite der Metallplatte 90· Mi. den piezoelektrischen Keramikscheiben sind Leitungen 24 und 25 in herkömmlicher Weise verbunden, über welche mit Hilfe eines Wechselstromsignals der Zwei-Elementen-Aufbau angesteuert wird.

Sowohl in der Metallplatte 90 als auch in den piezoelektrischen Keramikscheiben 91 und 92 sind öffnungen 93 bzw. 94-vorgesehen, in welchen ein Yerbindungestab 96 befestigt ist« Dieser Verbindungsstab 96 ist in geeigneter Weise, z.B. durch Schweisaen oder Loten, oder auch durch Verschrauben mit der Metallplatte 90 verbunden. Das andere Ende des Verbindungsstabes 96 ist in eine Federverbindungsplatte 97 eingeschraubt, die einen Ansatz 98 aufweist, mit welchem die Feder 50 unter Verwx-mdung einer Madenschraube 99 befestigt ist. Der übrige Teil des in Fig. 5 dargestellten Kompressormotors ist in derselben Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäsa den Fig. 2 und 3 aufgebaut und wird daher nicht weiter beschrieben.

Wenn an die piezoelektrischen Keramikscheiben 91 und 92 über die Leitungen 24 und 25 eine 60 Hz Wechselstromspannung in geeigneter Phase angelegt wird, ändert sich der Durchmesser dieser Scheiben. Die Scheiben sind derart ausgewählt und einander phasenmässig zugeordnet, dass sich die eine Scheibe im Durchmesser vergrössert, während die andere Scheibe ihren Durchmesser verkleinert, wenn eine Halbwelle des Wechselstromsignals angelegt wird. Während der anderen Halbwelle des Wechselstromsignale ändert sich der Durchmesser der jeweiligen Scheibe entgegengesetzt, so dass die Metallplatte in beiden Richtungen durchgewölbt wird.

Bei dieser Durchwölbung der Metallplatte verschiebt sich das Zentrum der Platte ungefähr um 0,7 bis 1 mm, so dass der

~ 13 - Kolben

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K-T.bee 5^- entsprechend hin und her geht, wenn die pi *>,:■:» 90 über die Schraubenfeder 50 mit diesem verbunden ux. : ix.· eine Resonanz bei 60 Hz entsprechend ausgelegt ist* Thiy*. ■ die Anpassung d»B Hoannongarataiiia niia de? SehT*anben» feder 50 und dem Kolben 54- an die 60 Hz Frequenz wird eine mechanische Impedanzanpassung zwischen dtn antreibenden piezoelektrischen Keramikscheiben und dem Kolben bewirkt, woraus sich die bereits beschriebene mechanische Vervielfachung der Auslenkung in der Grö.· β Anordnung von 12 : 1 ergibt. Somit wird die geringe Auslenkung der piezoelektrischen Kn amik-Scheiben in eine entsprechend grosse Auslenkung transformiert, welche ausreicht, um einen Kompressormotor, z.B. für Kühlanlagen, anzutreiben.

In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungaform der Erfindung dargestellt, bei der ein piezoelektrisches Antriebssystem dazu verwendet wird, um zwei Kolben gleichzeitig im Gegentakt anzusteuern, so dass mit jeder Halbwelle ein Kompressionshub entweder mit dem einen oder dem anderen Kolben ausgeführt wird. Jede der beiden Hälften der Ausführungsform gemäsa Fig. 6 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform gemäss Fig. 5» so dass entsprechend eine Schraubenfeder 50 zwischen dem piezoelektrischen Zwei-Elomenten-Antrieb und einem Kompreasionssystem, wie es anhand der Fig. 2 und Z beschrieben wurde, Verwendung findet. Aus -diesem Grund kann auch auf eine weitere Erläuterung der Wirkungsweise der beiden Hälften verzichtet werden, für welche die Bezugszeichen zur Unterscheidung mit "a" und "b" versehen sind.

Um den Motor gemäss Fig. 5 derart abzuändern, dass der Motor gemäss Fig. 6 entsteht, muss lediglich ein weiterer Verbindungsstab 96b vorgesehen werden, der vom Zentrum der Metallplatte 90 aus entgegengesetzt zum Verbindungsstab 96a verläuft. Die Resonanzfrequenz für die beiden Schwingsysteme aus der Schraubenfeder 50 und dem Kolben ist dieselbe und entspricht

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der Frequenz, bei welcher die Metallplatte und die piezoelektrischen Keramikscheiben schwingen. Die Ansaugrohre der beiden Hälften werden in einem T-Stück 100 zusammengeführt, dme an öiüö ÄüoäLügleituug 101 sugveCulvSsss ist* E&tspffediead ve^dfts auch die Ausiaearohre jeder HaMfte in einem T-Stück 103 verbunden, das mit dm Auslassrohr 104 in Verbindung steht. Die Wirkungsweise der beiden Hälften des Piezo-Kolbenmotors entspricht der der Ausführungsform gemäss Fig. 5» jedoch arbeiten die beiden Hälften mit einer Phasenverschiebung von 180° zueinander.

Die voraus stehend beschriebenen Kotore verwenden ein auf der Resonanzüberhöhung beruhendes Koppelsystem, um die geringe Auslenkung eines Antriebsmechanismus, z.B. des piezoelektrischen Antriebs mit Hilfe von Zwei-Elemente-Scheiben oder des elektromagnetischen Antriebs über eiaes, Yunnan Luftspalt in einen verhältnismassig langen Kolbe nVib des Kompressorkolbens umzuwandeln. Beim Hagnet-Kolbemsi-tor mit dem elektromagnetischen System ergibt sich aus der Verwendung des sehr kleinen Luftspaltes ein sehr guter Wirkungsfaktor, so dass nur eine sehr geringe Eingangsleistung benötigt wird. Auch bei dem Piezo-Kolbenmotor 1st die Eingangsleistung niedrig genug, um diesen von einer Gleichstromquelle über einen Wechselrichter anzusteuern, so dass ein derartiger Piezo-FWrhe.nnoV sonders für tragbare Einheiten geeignet ist. Die BIm ;+*. ..era, welche beim Hagnet-Kolbemaotor zur Ausrichte*-' -r.d Halterung der Ankeranordnung Verwendung finden, kÖ;^.an eine nicht lineare Charakteristik zur besseren Anpassung der Kraft-Abstandskurve des Elektromagneten aufweisen.

Da es nicht notwendig ist, grosse bzw. teure und schwere Elektromagneten in den beschriebenen Motoren zu verwenden, lassen sich die Kosten für derartige Motore erheblich reduzieren und auch die Grösaenabmessungen bei gleichbleibender Kapazität gegenüber anderen Kolbenmotoren erheblich verringern.

- 15 - Da

Da bei diesem Motor nur zwischen dem Kolben und dem Zylinder eine Reibung auftritt, ist es auch möglich, den Kolben mit Kolbenringen aus Polytetraxluoratnylen oder einem Polytetrafluoräthylen-überzug zu versehen, so daes der Motor bzw. Kompressor ohne Schmierung, d.h. trocken gefahren wer den kann. Dies ist für tragbare Einheiten besonders vorteilhaft.

Obwohl vorausstehend als Anwendungsgebiet für den Kompressormotor die Verwendung in Kühleinrichtungen angegeben wurde, ist es selbstverständlich, dass sich für die beschriebene Einheit au3 einem Motor und Kompressor auch viele andere Anwendungsgebiet® ergeben, bei denen verhältnismässig preiswerte Kompressoren benötigt werden. So ergibt sich als weiteres Anwendungsgebiet z.B. die Verwendung bei pneumatischen Regelsystemen, die Verwendung als Flüsaigkeitspumpen und andere. Es iet selbstverständlich, dass die in den vorausstehenden Ausführungsbeispieiea. angegebenen Frequenzen entsprechend den Verwendungszwecken beliebig geändert werden können.

- 16 -

VG i 16 i ό 29.10.7^η

Claims (1)

1. K102G-36o

   ρ r ü c h e

   Motor ait boi bestisnnter Betri^bsfrequenz schwingenden Antriebselemente^ wobei das orate Antriebseleiaent ait airier bsscisnstsn ersten Auslenkung hin und her geht_f uadurcb. gekiennze ichnetf dass ein zweites schwingendes AutriebseleiStint (5*0 siit einer bestimmten κ vjQ it en Auß3,Qziloing hin und her gebt,, wobei die zweite Aüslenirar.fc gröesar i3t als die erste Auslenkung, und dass üia federndes Koppelelement (50) das erste und zweite An.triebseleiaen'¹" au einem gekoppelten Scluiingungsaystem verbindet, dessen Resonansfröquenz it der Betriebsfrequenz zusammenfällt,, so dass die Auslenkung des aweiten Antriobsfi3.önients über das Koppelelement auf ein Vielfaches der Auslenkung dea eisten Antrieb sei esseats (35_t 36) veröt wird.

   2. Motor nach Anspruch l_r dadurch gekennzei chn β t_t dass das federnde Koppel el esnent eine Schraubenfeder (50) ist.

   5" ⁷Iotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, οί?.£ΐε das iweit'j Autri&bsslGJseuA; vor. einea Kolben. (54)

   7017315yg.io.7n

   gebildet ist, der in einem Zylinder (55) verschiebbar gehalten ist«

   c Motor nach. Anspruch 3_t dadurch gekennzeichnet, dass der hohl ausgebildete Kolben (54) Teil einer Kompressor pumpe ist und in seinem Innern ein Anaaugventil (57) umfasst_f das mit einem Auslassventil (58) am Zylinder (55) zusammenwirkte

   5· Motor nach eines oder mehreren der Ansprüche 1 bla 4,

   dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebselement (96) über ein weiteres federndes Koppelelement (50b) ait einem dritten Antriebseleoent (5^b) au einem gekoppelten SchKingungssyst^js verbunden ist, dessen Resonanzfrequenz mit der Betriebtirequeaz zusammenfallt, so dass die durch Energieübertragung mittels des Koppelelementes vergrösserte Auslenkung des dritten Antriebselementes gleich der Auslenkung des zweiten Antriebselemente bei der Betriebsfrequenz ist.

   6. Motor nach Anspruch 5» dadurch g e k e ν <i r β α ~ -net, dass das zweite und dritte Antriebselen * t jxä entsprechend die beiden federnden Koppale¹«~ *vr-e auf gegenüberliegenden Seiten des ersten i^«riebselementes angeordnet sind.

   7· Motor nach einem oder melireren der Ansprüche 1 bis 6,

   dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebselement aus einer piezoelektrischen Schwinganord- nung besteht (90, 91, 92), deren Resonanzfrequenz bei der Betriebsfrequenz liegt.

   8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,, dass die piezoelektrische Schwinganordnung eine flexible Platte (90) umfasst. an welcher piezoelektrische Doppelkristalle befestigt aind, die derart auegelegt sind, dass beim Anlegen eines Wechselstromsignals das Zentrum der Platte mit einer Amplitude auslenkbar ist, die der ersten Auslenkung entspricht,

   Motor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bia 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebseiement aus einem Elektromagneten besteht, dessen Wicklung mit einem Wechselstromsignal beaufschlagt ist, und der einen Anker (35) umfasst, welcher federnd, vorzugsweise mit Hilfe von Blattfedern (38, 39)» benachbart zum Kern des Elektromagneten derart gehalten ist, dass der Anker mit der Betriebsfrequenz schwingt, und dass der Anker mit dem federnden Koppelelement verbunden ist.