Elektromagnetischer Schwingungserzeuger. Zur Erzeugung der magnetischen Schwing kräfte werden vorzugsweise Magnetsysteme mit gegenständigen, das heisst ebenen, zur Schwingrichtung senkrechten Luftspaltflä chen von Magnet und Anker verwendet, weil solche Flächen eine einfache und genaue Herstellung ermöglichen. Der prinzipielle Aufbau eines solchen Schwingungserzeugers ist in Abb. 1 dargestellt.
Dabei ist mit 1 ein Magnet mit der Erregerspule 2, einem Magnetanker 3 und einem Federsystem 4 be zeichnet, das die Massen des. Magneten und des Ankers samt der daran .angeschlossenen Nutzmasse 5 elastisch kuppelt. Die Magnet spule 2 wird beispielsweise von einem Wech selstromnetz über einelektrisches Ventil 6, bestehend aus einer Gleichrichterröhre oder ,einem Troekengleichrichter, gespeist. Es. könnte aber auch die Speisung von einem Gleichstromnetz nach .dem Prinzip der Selbst unterbrechung erfolgen.
Allgemein ist die mit einem Magnet- systemerzeugte Zugkraft bekanntlich pro portional dem Produkt aus dem Quadrat der .elektrischen Durchflutung des magnetischen greises und der Änderung,der magnetischen Leitfähigkeit des Weges des Nutzflusses, der durch den infolge der Bewegung veränder lichen Arbeitsluftspalt verläuft. Bei .den oben genannten, gegenständigen Luftspalt flächen ergibt sieh aus Rechnung oder wes, sung eine Abhängigkeit der magnetischen Leitfähigkeit vom Luftspalt, die im Bereich grosser Werte des.
Luftspaltes verhältnis mässig flach verläuft, für kleine Werte des Luftspaltes jedoch einen ausserordentlich steilen Anstieg zeigt, wie in Abb. 2 die Kurve a erkennen lrässt.
ITm praktisch brauchbare Wirkungsgrade für die Leistungsumsetzung zu erhalten, ist es notwendig, die Schwingung in einen Luft- spalthereich zu legen, in dem ein genügender Anstieg der Leitfähigkeit vorhanden ist. Der Schwingungsantrieb wird dabei vorzugsweise nur einseitig, das heisst in nur einer Schwin gungsrichtung, vorgesehen aus, Gründen ein facher Bauart. Für eine Anordnung nach Abb. 1 ergibt sich ein zeitlicher Verlauf der Zugkraft K etwa nach Abb. 3, der sich an- benä-hert durch eine konstante Kraft K,. und eine überlagerte schwingende Kraft K" er setzen lässt.
Die Kraft K1 hat eine einseitige Verlagerung der resultierenden Schwingung zur Folge, und. zwar aus der Mittellage, die dem eingestellten Ruheluftspalt 8o entspricht, in die neue Mittellage, entsprechend d"'. Ist G' die Federkonstante des gesamten Schwin- gungssystemes, so. ist
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Der ganze Schwingungsbereich verschiebt sich um diese Grösse in den Bereich kleineren Luftspaltmittelwertes.
Steigert man die zugeführte elektrische Leistung und den Strom von 0 anfangend, beispielsweise durch allmähliche Erhöhung der Spannung, so nimmt damit auch die in Abb. \? angedeutete Schwingweite s" zu, und zwar zunächst stetig mit Steigerung der Leistung so lange, bis die Schwingung in den Bereich kleineren Luftspaltes hineingelangt. Wird die Spannung nun noch. weiter erhöht, so tritt von ,einer gewissen Schwingweite an - ohne Änderung der elektrischen Einstel lung - eine sprunghafte Zunahme der Schwingweite ein, die zum Gegenschlagen des. Ankers an die Magnetpole führt.
Gleich zeitig ist dabei eine Abnahme des aufgenom menen Stromes. zu beobachten. Innerhalb dieses kritischen Schwingungsbereiches, der sich etwa von a -.o,5 bo bis a = o erstreckt, ist keine stabile Einstellung der Schwing weite möglich. Der Grund für dieses labile Verhalten liegt darin, dass beim Übergreifen der Schwingung in den Bereich sehr kleinen Luftspaltes die Zugkraft, selbst bei ab nehmendem Strom, infolge des steilen An stieges der magnetischen Leitfähigkeit schneller zunimmt als die ihr entgegen wirkende Federkraft, die etwa. der Auslen kung aus der Ruhelage proportional ist. Diese Verhältnisse sind in Abb. 4 für sta tische Kräfte, veranschaulicht.
K,",, K.,2, Km3 stellen die magnetische Zugkraft für drei angenommene Stromwerte in Abhängigkeit vom Luftspalt dar und Kt die Federkraft bei Einstellung des Schwingungssystems auf einen Ruheluftspalt 8". Mit K",1 und Km2 sind stabile Gleichgewichtslagen Öl Lind a2 möglich. Wird durch fremde Krafteinwir kung eine Auslenkung bis auf dl' bezw. 82' erzwungen, so tritt dann weiteres Anziehen des Ankers bis an den Magneten ein.
Mit K",3 ist keine ,stabile Gleichgewichtslage mehr möglich.
Bei. einem elektromagnetischen Schwin gungserzeuger tritt nun aus denselben Zu sammenhängen der Zustand der Labilität ein, sobald die Schwingweite s" (vergl. Abb. 2) zusammen mit; der Verlagerung Ab" gewisse, von der elektrischen Einstellung ab hängige Werte überschreitet. Es kann daher gerade der Bereich, der infolge grossen Leit fähigkeitsanstieges eine Leistungsumsetzung mit gutem Wirkungsgrad ermöglichen würde, wegen des labilen Betriebszustandes nicht ausgenutzt werden.
Eine stabile Erhöhung der Schwingweite ist unter diesen Umstän den nur möglich dadurch, dass die Schwin gung im Ganzen in den Bereich grossen Luft spaltes verlegt wird mit dem Nachteil grösserer Stromaufnahme und kleineren Wir- oder aber dadurch, dass andere Formen der Luftspaltbegrenzungsflächen ver wendet werden, die einen grundsätzlich an- j dern Verlauf der Leitfähigkeit längs des, Weges ermöglichen. Das sind insbesondere solche Formen,
bei denen sich die Luftspalt flächen von Anker und Magnet parallel oder schräg zueinander verschieben oder ineinan- derschieben. Solcher Formen haben aber ge genüber rein gegenständigen Flächen den grossen Nachteil, da,ss sie in der Fertigung wesentlich höhere Genauigkeit und grössere Kosten erfordern.
Nach der Erfindung wird die beschrie bene Sch-,vierigkeit bei einem beispielsweise zum A.ritrieb von Förderrinnen, Schüttel sieben und ähnlichen mit gegeneinander schwingenden, durch ein Federsystem mit- s einander gekuppelten Massasen verwendeten elektromagnetischen Schwingungserzeuger da durch behoben, dass die Windungszahl der Magnetspulen, die Querschnitte der Einzel teile des magnetischen greises und die Span nung so aufeinander abgeglichen sind, dass durch Eintreten hoher Sättigung bei An wachsen des Gesamtflusses auf :
seinen zeit lichen Höchstwert der für die magnetische Zugkraft massgebende Anstieg der magneti schen Leitfähigkeit des Nutzflussweges bei Annäherung an den Kleinstwert des. Arbeits luftspaltes herabgesetzt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass die Zunahme der magnetischen Zugkraft bei Auslenkung des Ankers aus seiner Ruhehage nicht grösser wird als die Zunahme der in entgegengesetz ter Richtung wirkenden Federkraft des Schwingsystems, dass also die Leitfähigkeit etwa nach Kurve b oder Abb. 2 verläuft.
Während man sonst bestrebt ist, den Wir kungsgradelektrischer Maschinen durch Ver meidung übermässig hoher Sättigung hoch zu halten, ist in vorliegendem Falle die An wendung einer Induktion in der Grössen ordnung von 20 bis 25 000 Gauss zweck mässig, um bei Anwendung,der einfachen ge genständigen Luftspaltform einen stabilen Betrieb der Schwingungserzeuger zu ermög lichen, und zwar im Bereich kleinen Luft spaltels, also mit gutem Wirkungsgrad.
Die Wirkung der hohen Sättigung tritt nämlich erst bei Annäherung an,den zeitlichen Höchst wert des magnetischen Flussei, das heisst gegen Hubende bei Annäherung an den Kleinstwert des in Abb. 2 gekennzeichneten Luftspaltes = omin ein, währenddes übrigen Teils des Hubes jedoch noch nicht, so dass der hier praktisch unveränderte Leitfähig- keitsanstieg voll -ausgenutzt werden kann.
Wird die Magnetwicklung des Schwin gungserzeugers an eine feste Netzspannung angeschlossen, so muss für eine gegebene Windungszahl und Frequenz der Fluss einen bestimmten Höchstwert erreichen, um ,das Spannungsgleichgewicht herzustellen, und zwar unabhängig davon, welche Werte die Gesamtleitfähigkeit des magnetischen Kreises in irgendeiner Lage des Ankers hat, da für die Grösse der Zugkraft nur :der durch den Arbeitsluftspalt in den Anker übertretende Flussanteil, der Nutzfluss, massgebend ist.
Um eine unnötige Vergrösserung des auf genommenen Stromes zu vermeiden, wird vorteilhafterweise nur der Anker hoch ge sättigt, so dass dadurch,der Anstieg des Nutz flusses begrenzt wird und die für das Span nungsgleichgewicht erforderliche Gesamt flussverkettung durch Zunahme des Streu flusses eintritt.
Um die angestrebte Wirkung möglichst ausgeprägt zu erhalten, empfiehlt es sich: demnach, die Streuleitfähigkeiten des Magnetsystems nicht auf einen sonst er strebenswerten Kleinstwert herabzudrücken, sondern auf ein bestimmtes Verhältnis zur Leitfähigkeit des Nutzflussweges abzuglei chen.
Es kann sich unter Umständen als zweckmässig erweisen, für diesen Abgleich der Streuleitfähigkeit eine zusätzliche Er höhung durch Einlegen sogenannter Streu- bleche vorzusehen. Allerdings ist hiermit eine Verminderung des Leistungsfaktors ver bunden, die jedoch gegenüber dem Vorteil des stabilen Betriebes unerheblich ist.
Es. ist vorteilhaft, den Anker aus hoch legiertem Dynamoblech, das heisst einem in der Hauptsache mit Silizium zwecks Er höhung des elektrischen Widerstandes legier tem Blech, aufzubauen. Hierdurch wird ein schärferes Abbiegen der Magnetisierungs kurve des Nutzflusskreises erreicht und gleichzeitig eine Verminderung der magne tischen Verluste in dem hochgesättigten Anker.
Der Magnetkörper selbst jedoch wird zweckmässigerweise aus gewöhnlichem Dy namoblech hergestellt, so dass die Zunahme i des Streuflusses nicht :durch zu früh ein tretende Sättigung begrenzt wird.
Ausser der Beseitigung der Labilität hat die Erfindung eine weitere Verbesserung der Betriebseigenschaften elektromagnetisclher , Schwingungserzeuger zur Folge, indem näm lich Ungleichheiten im Luftspalt, bedingt durch Fertigungsmängel, sich nicht mehr so stark im Sinne ungleicher Verteilung der Gesamtzugkraft über die Luftspaltfläche s auswirken können, wie es ohne Herabsetzung des Leitfähigkeitsanstieges möglich wäre.
Obwohl die erfindungsgemässe Ausbil dung des Magnetsystems elektromagnetischer Schwingungserzeuger zunächst das Ziel hat, unter Verwendung der am einfachsten her stellbaren gegenständigen Luftspaltflächen einen im ganzen Schwingungsbereich stabilen Betrieb zu erreichen, ist sie mit gleichem Vorteil, auch anwendbar auf beliebige andere Begrenzungsflächen des Luftspaltes, die für kleine Luftspaltwerte zu steilen Leitfähig keitsanstieg und dadurch labile Schwin gungsbereiche zur Folge haben.
Die Gefahr der Labilität ist naturgemäss bei einseitig wirkendem Schwingungsanstieg, wie bisher beschrieben, besonders gross, wegen der einseitigen Verlagerung der Schwingungsmittellage. Aber auch bei zwei seitigem, da,- heisst in beiden Schwingrich tungen wirkendem Antrieb ist labiles Ver halten möglich, wenn man die Bereiche kleinen Luftspaltes aus früher erörterten Gründen ausnutzen will. Auch dann ist die erfindungsgemässe Ausbildung mit gleicher Wirkung anwendbar.
Electromagnetic vibration generator. To generate the magnetic vibrating forces, magnet systems with opposing, that is, flat, air gap surfaces perpendicular to the direction of vibration of the magnet and armature are preferably used, because such surfaces allow simple and accurate manufacture. The basic structure of such a vibration generator is shown in Fig. 1.
Here, a magnet with the excitation coil 2, a magnet armature 3 and a spring system 4 is denoted by 1, which elastically couples the masses of the magnet and the armature together with the useful mass 5 connected to it. The magnet coil 2 is fed, for example, from a Wech selstromnetz via an electric valve 6, consisting of a rectifier tube or a dry rectifier. It. but could also be fed from a direct current network according to the principle of self-interruption.
In general, the tensile force generated with a magnet system is, as is well known, proportional to the product of the square of the electrical flow through the old magnetic circuit and the change in the magnetic conductivity of the path of the useful flux that runs through the working air gap that changes as a result of the movement. In the case of the above-mentioned, opposing air gap areas, there is a dependence of the magnetic conductivity on the air gap from the calculation or solution, which in the range of large values of the.
The air gap is relatively flat, but shows an extremely steep increase for small values of the air gap, as curve a shows in Fig. 2.
In order to obtain practically usable degrees of efficiency for the power conversion, it is necessary to place the oscillation in an air gap area in which there is a sufficient increase in conductivity. The vibration drive is preferably provided on one side only, that is, in only one direction of vibration, for reasons of a multiple design. For an arrangement according to Fig. 1 there is a temporal course of the tensile force K according to Fig. 3, which is approximated by a constant force K i. and a superimposed oscillating force K "he lets set.
The force K1 results in a one-sided displacement of the resulting oscillation, and. from the central position, which corresponds to the set rest air gap 8o, into the new central position, corresponding to d "'. If G' is the spring constant of the entire oscillation system, then
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The entire vibration range is shifted by this amount into the range of the smaller air gap mean value.
If you increase the supplied electrical power and the current starting from 0, for example by gradually increasing the voltage, the voltage shown in Fig. \? indicated oscillation amplitude s ", initially steadily with an increase in power, until the oscillation reaches the area of the smaller air gap. If the voltage is now increased further, a certain amplitude occurs - without changing the electrical setting ment - a sudden increase in the amplitude, which leads to the armature striking against the magnetic poles.
At the same time there is a decrease in the current consumed. to observe. Within this critical oscillation range, which extends approximately from a -.o.5 bo to a = o, no stable setting of the oscillation width is possible. The reason for this unstable behavior is that when the oscillation extends into the area of very small air gaps, the tensile force, even with decreasing current, increases faster than the spring force counteracting it due to the steep rise in magnetic conductivity. the deflection from the rest position is proportional. These relationships are illustrated in Fig. 4 for static forces.
K, ",, K., 2, Km3 represent the magnetic tensile force for three assumed current values as a function of the air gap and Kt the spring force when the oscillation system is set to a rest air gap 8". Stable equilibrium positions of oil and a2 are possible with K ", 1 and Km2. If the action of external forces forces a deflection up to dl 'or 82', then the armature continues to be attracted to the magnet.
With K ", 3 a stable equilibrium position is no longer possible.
At. an electromagnetic vibration generator, the state of instability occurs as soon as the vibration amplitude s "(see Fig. 2) together with the displacement Ab" exceeds certain values depending on the electrical setting. It is therefore precisely the area that would enable a performance conversion with good efficiency as a result of the large increase in conductivity due to the unstable operating state.
Under these circumstances, a stable increase in the oscillation amplitude is only possible if the oscillation as a whole is relocated to the area of the large air gap, with the disadvantage of greater power consumption and smaller effects, or because other forms of air gap delimitation surfaces are used, which allow a fundamentally different course of the conductivity along the path. These are especially those forms
in which the air gap surfaces of armature and magnet move parallel or diagonally to one another or slide into one another. However, such shapes have the major disadvantage compared to purely opposite surfaces that they require significantly higher precision and greater costs in production.
According to the invention, the described four-sidedness in an electromagnetic vibration generator used, for example, to drive conveyor troughs, shakers, and the like with mutually oscillating massages coupled to one another by a spring system, is eliminated by the fact that the number of turns of the magnetic coils , the cross-sections of the individual parts of the old magnetic circuit and the voltage are matched to one another in such a way that when the total flux increases, high saturation occurs:
its temporal maximum value, the increase in the magnetic conductivity of the useful flux path, which is decisive for the magnetic tensile force, when the minimum value of the working air gap is approached. This ensures that the increase in the magnetic tensile force when the armature is deflected from its rest position is not greater than the increase in the spring force of the oscillating system acting in the opposite direction, i.e. the conductivity is roughly according to curve b or Fig. 2.
While one strives otherwise to keep the efficiency of electrical machines high by avoiding excessively high saturation, in the present case the application of an induction in the order of magnitude of 20 to 25,000 Gauss is useful in order to avoid the simple ones Air gap shape to enable stable operation of the vibration generator, namely in the area of small air gap, so with good efficiency.
The effect of the high saturation does not come into effect until approaching, the maximum value of the magnetic flux over time, i.e. towards the end of the stroke when the minimum value of the air gap marked in Fig. 2 approaches, but not yet during the rest of the stroke, so that the increase in conductivity, which is practically unchanged here, can be fully exploited.
If the magnet winding of the vibration generator is connected to a fixed mains voltage, the flux must reach a certain maximum value for a given number of turns and frequency in order to establish the voltage equilibrium, regardless of the values of the total conductivity of the magnetic circuit in any position of the armature has, since the only decisive factor for the magnitude of the tensile force is: the portion of the flux passing through the working air gap into the armature, the useful flux.
In order to avoid an unnecessary increase in the absorbed current, only the armature is advantageously highly saturated, so that the increase in the useful flow is limited and the total flow linkage required for the voltage equilibrium occurs due to an increase in the leakage flow.
In order to achieve the desired effect as pronounced as possible, it is advisable: accordingly, not to reduce the leakage conductivities of the magnet system to an otherwise desirable minimum value, but to adjust it to a certain ratio to the conductivity of the useful flow path.
Under certain circumstances it may prove to be useful to provide an additional increase for this adjustment of the scattering conductivity by inserting so-called scattering plates. However, this is associated with a reduction in the power factor, which is insignificant compared to the advantage of stable operation.
It. It is advantageous to build the armature from high-alloy dynamo sheet, that is a sheet metal alloyed mainly with silicon for the purpose of increasing the electrical resistance. As a result, a sharper turning of the magnetization curve of the useful flux circuit is achieved and at the same time a reduction in the magnetic losses in the highly saturated armature.
The magnet body itself, however, is expediently made from normal Dy namo sheet, so that the increase i in the leakage flux is not limited by saturation occurring too early.
In addition to eliminating the instability, the invention results in a further improvement in the operating properties of electromagnetic vibration generators, as inequalities in the air gap caused by manufacturing defects can no longer have as great an effect in terms of uneven distribution of the total tensile force over the air gap area s as it does would be possible without reducing the increase in conductivity.
Although the formation of the magnet system of electromagnetic vibration generators according to the invention initially aims to achieve stable operation in the entire vibration range using the most easily adjustable opposing air gap surfaces, it can be used with the same advantage on any other boundary surfaces of the air gap that are suitable for small Air gap values lead to steep increases in conductivity and thus unstable vibration ranges.
The risk of instability is naturally particularly great in the case of a one-sided increase in vibration, as described so far, because of the one-sided displacement of the vibration center position. But even with a two-sided drive acting in both directions of oscillation, unstable behavior is possible if the areas of the small air gap are to be exploited for reasons discussed earlier. The design according to the invention can then also be used with the same effect.