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Elektromagnetischer Schwingankermotor.
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Schwingankermotor, insbesondere für den Antrieb von Uhrwerken, Schaltapparaten, Relais, Ventilen und Werkzeugen.
Es sind bereits ähnliche Vorrichtungen bekannt, bei welchen ein Anker und eine Feder zu einem Schwingsystem vereinigt sind, welches durch einen Wechselstrommagneten angetrieben wird und daher synchron mit der Wechselstromfrequenz schwingt. Sie lassen sieh in zwei Gruppen einteilen, wovon die eine mit polarisiertem Magnetfeld (permanentem Magnet) und überlagertem Wechselfeld arbeitet, während die andere nur mit einem Wechselfeld allein arbeitet.
Bei Vorrichtungen der ersteren Bauart schwingt der Anker mit der Periodenfrequenz, während bei der zweiterwähnten Ausführung der Anker mit der Polwechselfrequenz des erregenden Wechselstromes schwingt. Bei den Apparaten bekannter Art erfolgen die Schwingungen des Ankers durch parallele Verschiebung der wirksamen Ankerpolfläehen zu den festen Statorpolflächen.
Die Vorrichtungen der ersten Gruppe arbeiten mit einem guten Wirkungsgrad, was durch die Verwendung von meist grossen und starken permanenten Magneten leicht erklärlich ist. Die Vorrichtungen der zweiten Gruppe haben durch ihre ungünstigen Polformen und daher schwachen Magnetfelder einen schlechteren Wirkungsgrad. Die bekannten Ausführungsformen beider Gruppen haben zudem den Nachteil, dass sie für eine bestimmte Leistung ein verhältnismässig grosses Gewicht und grosse Abmessungen aufweisen, was bei ihrer Verwendung nachteilig wirkt. Ferner erzeugen die im Verhältnis zur Leistung sehr schweren Anker Erschütterungen des Apparates und verursachen störende Geräusche.
Die erwähnten Nachteile der bisher bekannten Ausführungen werden durch vorliegende Erfindung dadurch aufgehoben, dass der senkrecht zu den Polflächen schwingende Anker und die wirksamen Polflächen des Stators Nuten und Zacken, Stiften und Löcher od. dgl. aufweisen, welche gegeneinander versetzt sind, damit der Polschuh des Ankers in denjenigen des Stators so weit hineingreifen kann, dass in der angezogenen Schwingungsendlage die magnetische Zugkraft gleich oder angenähert gleich Null ist.
Die Eigenfrequenz von Anker und Feder ist auf die Polwechselzahl des Erregerstromes abgestimmt.
Es ist zwar bekannt, bei Drehmagneten Pole mit ineinandergreifenden Teilen vorzusehen, um die Zugkraft gleichmässiger zu gestalten. Das ist aber bei der neuen Anordnung nicht nötig und auch nicht erwünscht, im Gegenteil, die Zugkraft soll von einem minimalen auf einen maximalen Wert ansteigen und dann rasch abnehmen. Bei der erfindungsgemässen Anordnung von Nuten, Schlitzen usw. wird hingegen die Zugkraftcharakteristik der Richtkraftcharakteristik der Systemfeder angepasst. Die magnetisierende Kraft der Stromspule befolgt das gleiche Gesetz wie der sie erregende Wechselstrom und durchläuft demnach während einer Periode zweimal den Wert Null und den Maximalwert.
In Verbindung damit wird aber auch der Anker von den Polflächen angezogen, wobei die Ankerzugeharakteristik bestimmt wird durch die Addition der Zugkraftcharakteristik und der Wechselstromcharakteristik. Die Folge ist, dass die Ankerzugkraft mit zunehmender Annäherung an die Polflächen so gross wird, dass die Richtkraft der Systemfeder wesentlich überstiegen wird, da diese letztere nur linear mit dem Verdrehungswinkel bzw. dem Dehnungsweg zunimmt. Dies soll jedoch erfindungsgemäss durch zweckentsprechende Gestaltung von Anker und Polflächen vollkommen vermieden werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Fig. 1 und 2 zeigen aus Magnet und Feder bestehende Schwingungssysteme. Fig. 3 und 4 zeigen zwei verschiedene Pol-und Ankerausführungen im Aufriss und Grundriss, zum Teil im Schnitt. Fig. 5-8 veranschaulichen Pol-
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und Ankerelemente in grösserer Darstellung. Fig. 9 und 10 zeigen beispielsweise Lagerungen von Schwing- systemwellen.
Um ein Anker-Feder-Schwingsystem von gegebener Grösse und gegebenem Arbeitshub des Ankers möglichst vorteilhaft auszunutzen, ist es besonders wichtig, den magnetischen Widerstand in der Luft zwischen den Pol- und Ankerflächen möglichst klein zu halten und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass die Kraftlinien möglichst senkrecht zu den'. Polflächen stehen. Dadurch werden die Amperewindungen für den magnetischen Kraftfluss auf ein Mindestmass beschränkt, und die Stromwärmeverluste in der Erregerspule können dadurch sehr klein gehalten werden.
Diese"Bedingungen können in verschiedenen Ausführungsformen verwirklicht werden.
In Fig. 1 bedeutet 5 den Anker, welcher an einem Hebel 6 auf der Welle 7 derart angeordnet ist,
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nisches Schwingsystem von gegebener Eigenfrequenz darstellt.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher der Anker 5 nicht auf einer Welle drehbar sitzt, wie vorbeschrieben, sondern in Gleitführungen verschiebbar ist. Der Anker kann in Verbindung mit einer Feder Longitudinalschwingungen ausführen. An Stelle der Gleitführung können auch andere bekannte Geradführungen für den Anker verwendet werden.
Soll nun das Schwingsystem durch den Elektromagneten in harmonische Schwingungen versetzt werden, so muss theoretisch die Wechselstromfrequenz mit der Eigenfrequenz des Systems übereinstimmen oder umgekehrt. (Praktisch ist. dies nicht absolut erforderlich.) Ebenso wichtig ist, dass die wechselnde Grösse der Zugkraft des Elektromagneten mit der wechselnden Grösse der Richtkraft der Feder innerhalb einer Schwingungsperiode in bestimmter Beziehung steht. Hauptbedingung hiefür ist, dass die magnetische Zugkraft die Wirkung der Feder in einer Schwingungsendlage des Ankers nicht übersteigt, da sonst unharmonische Ankerschwingungen entstehen, wodurch der Anker ausser Tritt mit der Wechselstromerregung fällt.
Die magnetisierende Kraft der Stromspule ändert sich nach dem gleichen Gesetz wie der sie erregende Wechselstrom und durchläuft demzufolge während einer Periode zweimal den Nullwert und den Maximalwert. In Verbindung damit wird aber auch der Anker von den Polflächen angezogen, wobei die Anker- zugskraftcharakteristik gesetzmässig bestimmt wird durch eine nicht einfache algebraische Addition der Zug1. -raftcarakteristik und der Wechselstromcharakteristik. Dies hat zur Folge, dass die Ankerzugkraft mit-zunehmender Annäherung an die Polflächen ein Mass erreichen würde, welches die Richtkraft der Systemfeder wesentlich übersteigen würde, da dieselbe nur linear mit dem Verdrehungswinkel bzw. Dehnungsweg zunimmt. Dies ist jedoch für den Antrieb des Schwingsystems ungünstig und nicht zulässig.
Durch zweckentsprechende Gestaltung von Anker und Polflächen kann diesem Nachteil jedoch vollkommen abgeholfen werden.
In Fig. 3 und 4 sind beispielsweise Ausführungsformen solcher Ankergestaltungen dargestellt, Die Anker 5 und die Polflächen 4 sind mit Nuten, Schlitzen oder auch Löchern versehen, so dass Ankerfläche und Polfläche sich zueinander verhalten wie positiv und negativ, zum Zwecke, die Zugkrafteharak- teristik des Ankers 5 der Feder 3 anzupassen. An Hand von Fig. 5-8 ist die Wirkungsweise dieser Ankerausführungen leicht zu erklären. In Fig. 5 ist der Anker in der ausgezogenen (entfernten) Endlage, wobei die Kraftlinien von den Polflügeln fast senkrecht auf die Ankerstäbe übertreten und trotz der in dieser.
Lage geringen Magnetisierung eine günstige Zugkraftrichtung ausüben. Die Resultierende aller magnetischen Kräfte übt eine zur Bewegungsrichtung des Ankers parallele Zugkraft aus und erteilt ihm eine entsprechende Beschleunigung. In Fig. 7 zeigt die Kraftkomponente 10 die Anziehungskraft in senkrechter Richtung an (Komponente von 11), sofern die Kraftkomponente 11 die resultierende Anziehung-
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tritt ein geringer Unterschied der Anziehungskraft in senkrechter Richtung ein. In den Stellungen der Anker und Polflächen, welche in Fig. 5 und 6 dargestellt sind, unterliegen die magnetischen Anziehungskräfte dem bekannten Zugkraftgesetz, das Anwendung findet, wenn die Polflächen genau senkrecht und parallel übereinander liegen.
Ein kleiner Unterschied in den Anziehungskräften ist, wie oben erwähnt, vorhanden, aber dieser Unterschied ist sehr gering. Wenn die Kräfte 10 und 11 gemessen werden, so ergibt sich, dass die Anziehungskräfte bei der Stellung der Polfläche und Anker nach Fig. 5 und 6 und bei senkrecht übereinander liegenden Polflächen sich verhalten wie etwa 28 zu 30. Nun aber weist die Anordnung mit in die Nuten eines Poles eintauchenden Vorsprüngen eines Ankers grosse Vorteile auf und gleicht nicht bloss den geringen Verlust an Anziehungskraft in der Anordnung nach Fig : 5 und 6 aus sondern gestattet eine erhöhte Anziehungskraft zu erzielen.
Betrachtet man die Magnete 13, 14 als ein Solenoid, so wird der Anker, den man als Tauchkern ansehen kann, in die Nut eingezogen, so dass Magnete und Pole die Stellung nach Fig. 8 einnehmen. Während bei senkrecht übereinander liegenden Polflächen -der Anker bloss einen Weg h nach Fig. 5 zurücklegen kann, denn in diesem Falle sind die Nuten nicht vorhanden, kann der Anker bei Vorhandensein von Nuten den Weg I + h zurücklegen.'Während in beiden Fällen auf. dem Wege h die gleiche Anziehungs-
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kraft ausgeübt wird, zeigt die Bauart mit Nuten den Vorteil, dass noch die Anziehungskraft auf dem
Wege I in Frage kommt.
Die Form des Ankers und der Polstücke kann anders als gezeichnet sein, wesentlich ist nur, dass sich möglichst grosse magnetische Oberflächen auf kleinem Raum gegenüberstehen und die einzelnen
Kraftlinien eine möglichst kurze Luftspalte zu überwinden haben. Es können z. B. mehr als zwei Pol- flächen und mit diesen zusammen arbeitende Anker vorgesehen werden, wobei letztere auch zu verschie- denen Seiten der Drehachse liegen können.
Die Zacken oder Zähne im Anker und die Bohrungen oder Nuten in den Polschuhen können auch konisch bzw. mit schräg zur Bewegungsrichtung stehenden Seitenwänden versehen sein, derart, dass die Anziehungskraft bei der Annäherung bzw. beim Eintritt des Ankers an bzw. in die Polschuhe stetig abnimmt und jedes stossweise Arbeiten vermieden wird.
Der unter dem Einfluss des Wechselstromfeldes stehende Anker gerät durch die Wahl der beschriebenen Anordnung in harmonische Schwingungen, wobei seine ihm innewohnende Energieform zwischen potentieller und kinetischer pendelt. Von letzterer kann ihm mittels einem bekannten Klinkenoder Sperrkeilgetriebe Energie abgenommen und mechanisch nutzbar gemacht werden.
Der Wirkungsgrad zwischen aufgenommener elektrischer Energie und abgegebener mechanischer Energie ist ein verhältnismässig sehr günstiger, da verhältnismässig nur wenige Amperewindungen erforderlich sind und die Wärmeverluste durch eine genügend grosse Spulenwicklung sehr klein gehalten werden können.
Die Klinken oder Sperrgetriebvorrichtung (Fig. 1.) zeigt nur eine der vielen möglichen Ausführungsformen. Die stoss-oder auch Zugldinke greift in ein mit Sperradzahnung versehenes Schaltrad, welches mit der anzutreibenden Welle über ein Reibungsgesperre verbunden ist. Dieses Reibungsgesperre besteht vorteilhaft aus drei oder mehreren Walzen, welche durch Federn in die keilförmige Verengerung zwischen Schaltrad und Lagerung gepresst werden.
Der ruhige und störungsfreie Gang aller Schwingankersysteme hängt auch sehr von einer genauen passenden Lagerung bzw. Führung des Ankers ab. Falls der Anker wie in Fig. 1 auf einer drehbaren Welle befestigt ist, können mit grossem Vorteile an Stelle von Metallagerbüchsen solche aus elastischem Material, wie Gummi, vorgesehen sein (Fig. 9). Wenn die Gummischicht stark genug gewählt wird, erfordert diese Lagerung gar keine Schmierung, da bei dem relativ kleinen Schwingungswinkel des Ankers die Verdrehung der Welle gegenüber der Fassung durch den Gummi selbst aufgenommen werden kann.
Die Ankerwelle kann auch mit einer Messerschneide (Fig. 10) versehen sein, die in einer Pfanne aufliegt.
Auch diese Lagerung gestattet der Welle, auf einem kleinen Drehwinkel Schwingungen auszuführen, ohne dass eine merkbare Lagerreibung auftritt, welche die Ankerschwingungen dämpft.
PATENT-ANSPRÜCHE : l. Elektromagnetischer Schwingankermotor, bei welchem der Anker in Verbindung mit einer Feder zu einem Schwingsystem vereinigt ist und gegenüber einem feststehenden von Wechselstrom erregten Stator so gelagert ist, dass durch die periodisch erfolgenden magnetischen Zugkräfte der Anker in Schwingungen versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der senkrecht zu den Polflächen schwingende Anker und die wirksamen Polflächen des Stators Nuten und Zacken, Stiften und Löcher usw. aufweisen, die gegeneinander versetzt sind, damit der Polschuh des Ankers in den des Stators so weit hineingreifen kann, dass in der angezogenen Schwingungsendlage die magnetische Zugkraft gleich oder angenähert gleich Null wird und dass die Eigenfrequenz von Anker und Feder auf die Wechselzahl des Erregerstromes abgestimmt ist.