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Elektrisch angetriebener Kompressor.
Der Versuch, einen Kompressor durch einen Elektromagneten unmittelbar anzutreiben, ist bisher hauptsächlich daran gescheitert, dass die Bewegungsumkehr des federnd gelagerten, schwingenden
Systems (bestehend aus Verdichterorgan und Anker) durch elektrische Umschaltvorrichtungen oder durch schwingungsverkürzende Prallflächen erzwungen werden sollte, also durch Hilfsmittel, welche die Betriebssicherheit, Leistungsfähigkeit, Einfachheit des Aufbaues und auch den Wirkungsgrad vermindern.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, den Netzweehselstrom als Kraftquelle zu verwenden und den Antrieb so auszubilden, dass einzig und allein die Periodizität dieses Stromes die Bewegungsumkehr des schwingenden Ankers veranlasst. Danach soll das federnd gelagerte Verdichterorgan vom schwingenden Anker eines Wechselstromelektromagneten in Schwingungen versetzt werden, wobei die Federung des schwingenden Systems auf Resonanz mit der wechselnden Anziehungskraft des Elektromagneten abgestimmt ist und die Bewegungsumkehr des schwingenden Systems im normalen Betrieb nur durch von der Federung, vom magnetischen Feld und vom komprimierten Medium ausgeübte Gegenkräfte erzwungen wird.
Für den praktischen Betrieb eines derartigen Aggregates ist es von wesentlicher Bedeutung, dass die Verdichtungsarbeit vom Elektromagneten nur mittelbar durch in der Federung aufgespeicherte Energie geleistet wird, so dass die Ankerbewegung möglichst gleichmässig verläuft und heftige Belastungsstösse vom Netz ferngehalten werden. Den richtigen Ausgangspunkt für eine Weiterentwicklung des resonanzartigen Weehselstromantriebes von Kompressoren bildet daher nur jene Bauart, bei welcher das Entfernen des Ankers vom Elektromagneten den Arbeitshub des Verdichterorgans (also bei Überdruekerzeugern den Druckhub) bewirkt.
Die Erfindung hat zum Zweck, die bisher bekanntgewordenen Kompressoren der letztangegebenen Art zu verbessern, u. zw. insbesondere durch eine vorteilhafte Ausbildung des den Antrieb bildenden Wechselstromelektromagneten. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Betriebseigenschaften und überhaupt die praktische Eignung des Aggregates bei einem in Resonanz mit der Anziehungskraft des Elektromagneten schwingenden Verdichterorgan durch die Bauart des Magneten wesentlich bedingt werden, während dies bei den eingangs erwähnten Antrieben, die mit elektrischer Umschaltsteuerung oder mit Prallfläche arbeiten, nicht oder in viel geringerem Masse der Fall ist.
Die besondere Bedeutung der baulichen Ausgestaltung des Wechselstromelektromagneten ist bei den bisher vorgeschlagenen, nach dem Resonanzprinzip betriebenen Kompressoraggregaten nicht erkannt worden.
Die Eigenart des Weehselstromkompressorantriebes stellt an den Aufbau des Elektromagneten verschiedene, einander teils widersprechende Forderungen.
Eine dieser Forderungen betrifft die Erzielung eines möglichst günstigen Fördervolumens bzw. einer möglichst gleichmässigen Förderleistung bei verschiedenen Förderdrücke. Es hat sich gezeigt, dass die Lage der Schwingungsbahn des Ankers, da dessen Endlagen durch keine Prallfläche oder Umsehaltkontakte bestimmt sind, vom Druck abhängt, auf welchen das Medium komprimiert wird.
Mit wachsendem oder sinkendem Gegenenddruck verschiebt sich die Schwingungsmittellage des Ankers, ohne dass im allgemeinen die Amplitude der Schwingung eine Veränderung erleidet. Erfindungsgemäss kann diese Verschiebung dazu benutzt werden, die magnetischen Verhältnisse des Antriebes derart zu verändern, dass bei einer Steigerung bzw. Abnahme des Gegenenddruckes selbsttätig eine Verringerung bzw. Erhöhung der aufgenommenen elektrischen Leistung eintritt, dass also der eben erwähnten Forderung nach einer günstigen Betriebscharakteristik des Kompressors entsprochen wird.
Es muss aber auch der Forderung eines möglichst raum-und gewichtssparenden Aufbaues des
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Ankers eine möglichst vollständige Ausnutzung des magnetischen Kraftflusses stattfindet. Dies darf aber nicht auf Kosten der wirksamen Anziehungskraft des Elektromagneten geschehen. Die Beschaffenheit der Schwingfeder schreibt nämlich im Zusammenhang mit dem freien resonanzartigen Ausschwingen des Ankers der maximalen Schwingungsamplitude desselben (bei gegebener Grösse der Konstruktionsteile) gewisse Grenzen vor, so dass es wünschenswert ist, dass die auf die Einheit des Schwingungsweges entfallende magnetische Leistung möglichst gross wird.
Eine weitere Forderung betrifft die Richtung der auf den Anker wirkenden periodischen Kräfte.
Es soll nämlich die Resultierende dieser Kräfte in die Schwingungsrichtung fallen. Dadurch wird nicht nur ein kompliziertes, unregelmässiges Schwingen nach Art von Schlingerbewegungen vermieden, sondern auch die Anordnung feststehender Magnetteile in nächster Nähe des schwingenden Ankers ermöglicht, was bei allseitigem Ausschwingen desselben nicht zulässig wäre.
Die Erfindung sucht alle diese Forderungen nach Möglichkeit zu erfüllen.
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resultierende magnetische Anziehungskraft in diese Richtung fällt.
Um eine möglichst grosse Komponente der magnetischen Kraft zur Wirkung zu bringen, trotzdem aber den geschlossenen Eisenkreis durch eine möglichst kleine Summe hintereinandergeschalteter Luftspalte zu unterbrechen, wird eine Bauart bevorzugt, bei der im magnetischen Kreis des Wechselstromelektromagneten nur ein einziger Luftspalt vom Kraftlinienfluss in der Schwingungsrichtung des Ankers durchsetzt wird. Der magnetische Widerstand dieses Luftspaltes, der als "aktiver" Luftspalt bezeichnet
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fluss mit der Schwingungsrichtung des Ankers einen Winkel bildet, der 450 überschreitet.
In baulicher Beziehung empfiehlt es sich, den Anker und den feststehenden Teil des Elektromagneten derart auszubilden und in bezug aufeinander anzuordnen, dass sie zusammen, bei völlig angezogenem, d. 11. am feststehenden Teil satt anliegend gedachten Anker, einen Magnetkörper ergeben würden, der dem geschlossenen Eisenkörper eines Säulentransformators, vorzugsweise eines Dreisäulentransformators, gleicht. Dabei soll zweckmässigerweise der völlig angezogen gedachte Anker die Mittelsäule des Eisenkörpers ergänzen oder bilden.
In den Figuren der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Aufriss und Kreuzriss dargestellt.
Der Elektromagnet des Kompressorantriebes besteht in diesem Beispiel der Hauptsache nach aus dem nach Art eines Säulentransformators aufgebauten feststehenden Magnetkörper 1, dem in lotrechter Richtung beweglichen, gewissermassen einen losgelösten Teil der Mittelsäule bildenden Anker 2 und der um die mittlere Säule und den diese Säule fortsetzenden Ankerteil herum angeordneten Magnetwicklung Wie die Zeichnung zeigt, ist der Anker derart ausgebildet und in bezug auf den feststehenden Teil des Elektromagneten derart angeordnet, dass die bei Erregenmg der Wicklung entstehenden magnetischen Kreise im Eisen nahezu geschlossen sind und nur schmale Luftspalte 5, 5'und 5"zu durchsetzen haben.
Der Luftspalt 5 verläuft so, dass er vom Kraftfluss parallel zur Schwingungsrichtung des Ankers durchsetzt wird, so dass also die in diesem Luftspalt wirksame Komponente der magnetischen Kraft einen Höchst- wert erreicht. Die Luftspalte 5'und 5"werden von Ankerflächen und Jochflächen des Magnetkernes gebildet, die schräg zur Schwingungsrichtung des Ankers liegen und mit dieser einen Winkel bilden, der kleiner als 450 ist. Die Luftspalte 5'und 5"sind also derart angeordnet, dass sie viel kleiner gewählt werden können als der Luftspalt 5 und daher den geschlossenen Eisenweg in viel geringerem Masse unterbrechen.
Von der Anordnung des Luftspaltes 5 darf aber nicht abgesehen werden, wenn die auf einen bestimmten Schwingungsweg entfallende magnetische Leistung möglichst gross sein soll. Wie ferner aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht, ist das Kompressoraggregat derart ausgebildet, dass sieh die Schwingungsmittellage des Ankers bei wachsendem Gegenenddruek des komprimierten Mediums senkt.
Dadurch wird die der jeweiligen Schwingungsmittellage entsprechende Grösse des Luftspaltes 5 mit wachsendem Gegenenddruck in erheblichem Masse verkleinert, und diese Verkleinerung kann ohne weiteres derart bemessen werden, dass die Abhängigkeit des geförderten Luftvolumens bzw. die Förderleistung vom Druck in günstigem Sinne beeinflusst wird ; denn die Verkleinerung des Luftspaltes ruft eine Kraftzunahme und Leistungssteigerung hervor.
Durch die dargestellte Ausführung und Art der Anordnung des Elektromagneten wird auch die Leistungsfähigkeit des Kompressorantriebes wesentlich erhöht bzw. die für eine bestimmte Leistung erforderliche Grösse des Elektromagneten auf ein Minimum gebracht.
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Der Elektromagnet steht auf einer Grundplatte 9, von welcher aus lotrechte, rahmenartig versteifte Streben 21 aus Isoliermaterial ausgehen, welche den Drucklufterzeuger tragen. Letzterer ist nach dem Prinzip der Membranpumpe gebaut und besteht im Wesen aus dem Arbeits-oder Verdichter- raum 27, dem Sammelraum 26 mit angeschlossenem Druckluftstutzen 13, der m} t Öffnungen 23 versehenen Membran 16, der mit Öffnungen 19 versehenen Membran 17 und den mit Öffnungen 18 bzw. 24 ausgestatteten Membranböden 15 bzw. 25. Die Öffnungen M und 2. 3 und die in ihrer Nähe befindlichen Teile der Membran 16 bilden die Saugventile, die Öffnungen 19 und 24 und die in ihrer Nähe befindliehen Teile der Membran 17 bilden die Druckventile des Kompressors.
Der Membranboden 15 ist als Druckplatte ausgebildet, welche am oberen Ende der eine Fortsetzung des Ankers 2 bildenden Antriebsstange 14 befestigt ist. Es besteht also der unter der Einwirkung des Elektromagneten schwingende Körper aus dem Anker 2, der Antriebsstange 14 und dem Membranboden 15 samt Membran 16. Es ist klar, dass durch diese Konstruktion eine erhebliche Verringerung der mit dem Anker schwingenden Masse erzielt wirdDie Antriebsstange 14 ruht mittels des Querbolzens 8 auf Blattfedern 6, u. zw. derart, dass der Anker, wenn der Elektromagnet nicht erregt ist, ausschliesslich von diesen Federn getragen wird, wobei er von ihnen eine gewisse Vorspannung erhält.
Die Tragfedern 6 des Ankers sind derart bemessen und angeordnet dass sie ein gleichmässiges Schwingen der hin-und hergehenden Teile im Takte, u. zw. in Resonanz mit dem Wechsel des den Elektromagneten speisenden Stromes, ermöglichen. Die Enden der Federn 6 sind mit walzenförmigen Auflagekörpern 20 versehen, welche in Büchsen 7 des Traggestelles drehbar gelagert sind, derart, dass sie in Übereinstimmung mit der hin-und hergehenden Bewegung des Ankers Drehschwingungen ausführen können. Durch diese Art der Lagerung der Federn wird die Übertragung der vom schwingenden Anker hervorgerufenen Erschütterungen auf die übrigen Teile der Einrichtung und auf die Umgebung wesentlich vermindert. Dem letzteren Zweck dient auch eine stossdämpfende Filzplatte 10, auf welche die Grundplatte 9 gestellt ist.
Die Wirkungsweise der eben beschriebenen Einrichtung ist folgendermassen : Wird die Spule. 3 des Elektromagneten mit Wechselstrom gespeist, so schwingen der Anker 2 und die mit ihm verbundenen Teile im Takte der Wechselstromfrequenz. Bei jeder Abwärtsbewegung des Ankers nimmt der Membranboden 15 die mit ihm nur an ihrem Umfang fest verbundene Membran 16 mit, so dass Luft durch die Öffnungen 18 und 23 in das Innere des Arbeitsraumes 27 einströmt ; währenddem bleibt die Membran 17 an ihren Boden 25 fest angepresst, so dass die Druekventilöffnungen 19, 24 geschlossen sind.
Während der Aufwärtsbewegung des Ankers werden jedoch die Öffnungen 18 und 23 des Saugventils geschlossen,
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öffnungen 19, 24 in den Sammelraum 26 gefördert wird, von wo sie durch den Rohrstutzen 13 ihrem Verwendungszweck oder irgendeinem Druckluftbehälter zugeführt wird.
Der Anker des Elektromagneten wird während des Saughubes dem Magnetkörper genähert und während des Druckhubes von ihm entfernt. Die Feder 6, die auf die Wechselstromfrequenz abgestimmt ist, ist während des Druckhubes die einzige zur Verfügung stehende Kraftquelle, und sie muss daher während der Ansaugbewegung die gesamte, für den Druckhub erforderliche Energie aufspeichern. Diese Energie besteht hauptsächlich aus der Kompressions-und Förderarbeit und aus der zum Wegziehen des Ankers vom Magnetkörper (Vergrösserung des Luftspaltes) erforderlichen Arbeit.
Die letztgenannte Arbeit geht jedoch nicht verloren, da sie in das den Elektromagneten speisende Netz zurüekgeliefert wird. Anderseits wird diesem Netz während der Anzugsbewegung des Ankers, also während des Saughubes, jene Energie (vermehrt, um die beim Saugen auftretenden Energieverluste) entnommen, die am Ende dieses Hubes in der Feder 6 aufgespeichert ist. Es ist daher verständlich, dass aus dem Netz während einer vollen Arbeitsperiode des Kompressors insgesamt nur so viel elektrische Energie entnommen wird, als zur Deckung der nützlichen Kompressionsarbeit und der unvermeidlichen Energieverluste notwendig ist.
Wird also bei Anwachsen des Druckes im Raum 26 die mechanische Leistung des Kompressors kleiner, so wird in entsprechendem Masse auch die von der Elektromagnetwicklung aufgenommene elektrische Leistung geringer werden, ohne dass der Anker zu schwingen aufhört. Diese Schwingungen dauern auch fort, wenn die Kompressornutzarbeit auf Null sinkt. in welchem Falle der Elektromagnet nur die zur Deckung der"Leerlaufsverluste"des Kompressors erforderliche Leistung dem Netz entnimmt.
Die Arbeitsweise des Kleinkompressors passt sich also selbsttätig dem wechselnden Luftbedarf an ; je mehr Druckluft entnommen wird, desto mehr wird auch erzeugt. Dies ist ein bemerkenswerter Vorteil der erfindungsgemässen Einrichtung.
Die Feder 6 nimmt, wenn die durch den elektromagnetischen Antrieb erzeugte Luftverdichtung ihren Höchstwert erreicht, den überschüssigen Gegendruck des komprimierten Mediums auf, was mit wachsendem Druck eine Verschiebung der Schwingungsmittellage des schwingenden Systems nach unten zur Folge hat. Dadurch wird, wie bereits beschrieben, der aktive Luftspalt 5 des Elektromagneten verkleinert, so dass eine günstige Anpassung der Leistung beim Arbeiten auf verschiedene Drücke erzielt werden kann.
Die im Ausführungsbeispiel beschriebene Membran-und Ventilkonstruktion ist besonders vorteilhaft, wenn ein sehr schnelles, aber einwandfreies Arbeiten der Ventile gefordert wird, was beispiels-
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weise dann der Fall ist, wenn der Anker im Takt mit dem gebräuchlichen Wechselstrom von 50 Hertz schwingen soll.
Ein Vorteil der beschriebenen Maschine ist auch das Fehlen jeglicher Lager oder Getriebeteile,
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mit sich, die eine Verunreinigung der komprimierten Luft hervorrufen könnten ; demgemäss kann auch die Anordnung eines Ölabscheiders erspart werden. Das Ansaugen von Luft aus dem Elektromagneten zu Kühlzweeken kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, dass man, wie im beschriebenen Ausführungsbeispiel, die Saugöffnungen 18 des Kompressors oberhalb des Elektromagneten anordnet. Schliesst man überdies die ganze Maschine in ein Gehäuse ein, so wird die vom Kompressor auf die im Magneten erwärmte Luft ausgeübte Saugwirkung noch wesentlich gesteigert.
Man kann aber auch gegebenenfalls besondere Kanäle oder Leitungen anordnen, die die Heissluft des Elektromagneten der Saugseite des Kompressors zuführen.
Die Schwingungen des Ankers erzeugen im Betrieb ein Vibrationsgeräuseh, dessen Dämpfung erwünscht sein kann. Zu diesem Zweck lassen sieh verschiedene Massnahmen treffen, von denen einige bereits im Ausführungsbeispiel beschrieben sind. Ist die Maschine von einem Gehäuse umschlossen, so kann dieses aus einem schalldichten Material hergestellt und auf Gummisehnüren oder Spiralfedern aufgehängt sein. Man kann auch die Zwischenräume zwischen Apparat und Gehäuse mit einem schalldichten, stossdämpfenden Material ausfüllen. Es kann auch das ganze System unter Öl eingebaut sein, welches gegebenenfalls gleichzeitig zur Schmierung bewegter Teile dient.
Die Übertragung der Ankerbewegung auf das Verdichterorgan, die Federung des Ankers usw. lassen sieh in verschiedenster Weise ausführen. Ferner kann man nach Wunsch mehrere Maschinen
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Kleinkompressors ermöglicht dessen weitgehendst Verwendung (z. B. in der Malerei, Landwirtschaft, Bohrtechnik, medizinischen Technik usw.).
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Elektrisch angetriebener Kompressor. dessen federnd gelagertes Yerdichterorgan vom schwingenden Anker eines Wechselstrommagneten in Schwingungen versetzt wird, wobei das Entfernen des Ankers vom Elektromagneten den Arbeitshub bewirkt, die Federung des schwingenden Systems auf Resonanz mit der wechselnden Anziehungskraft des Elektromagneten abgestimmt ist und die Bewegungsumkehr des schwingenden Systems im normalen Betrieb nur durch von der Federung, vom magnetischen Feld und vom komprimierten Medium ausgeübte Gegenkräfte erzwungen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker und der feststehende Teil des Elektromagneten einen nur von schmalen Luftspalten
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stand bilden,
dessen auf den Anker wirkende resultierende magnetische Anziehungskraft in die Sehwin- gungsrichtung des Ankers fällt und dessen magnetischer Luftspaltwiderstand, bezogen auf die Schwingungsmittellage des Ankers, erheblich kleiner wird, sobald sich diese Mittellage mit zunehmendem Gegenenddruck des komprimierten Mediums verschiebt.