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Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungen mittels eines
Wechselstrommotors Bekannt sind neben elektromagnetischen Schwingern auch Schwingungserzeuger,
bei denen zwei gegenläufige Unwuchten durch einen Elektromotor angetrieben werden.
Wegen ihrer geringen Amplituden sind die magnetelektrischen Schwinger nur begrenzt
einsetzbar. Mit Unwucht-Schwingungserzeugern lassen sich größere Amplituden und
größere Leistungen erreichen, aber die großen Lagerbelastungen durch die auftretenden
Fliehkräfte lassen nur eine verhältnismäßig geringe Frequenz zu und gestatten auch
nicht, derartige Schwinger in beliebiger Größe und für beliebige Leistungen bei
hoher Frequenz zu bauen.
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Durch die Erfindung werden diese Mängel in hohem Maße vermieden. Dies
wird nach der Erfindung insbesondere dadurch erreicht, daß zur Erzeugung axialer
Schwingungen des Läufers eines Wechselstrommotors gegenüber dem Stator desselben
eine vorzugsweise nur auf dem Läufermittelteil aus der vorwiegend parallel zur Achsrichtung
verlaufenden Wickelrichtung verdrehten Läuferwicklung infolge des Läuferschlupfes
gegenüber dem Statordrehfeld Stromimpulse in der Läuferwicklung hervorgerufen werden,
die den Läufer aus der Mittellage des Statorfeldes im Takte der Stromimpulse axial
verschieben und nach jeder Verschiebung durch das magnetische Kraftlinienfeld und/oder
eine Feder wieder nach der Mittellage zurückschieben.
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Um ein derartiges Verhalten eines Wechselstrommotors, insbesondere
eines Drehstrommotors zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorteilhaft die nicht die
ganze Mantelfläche des Läufers bedeckende Wicklung vorzugsweise nur auf dem Läufermittelteil
des Wechselstrommotors aus der vorwiegend parallel zur Achsrichtung verlaufenden
Wickelrichtung bis zu 90° elektrisch verdreht.
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Die Vorteile eines solchen Schwingungserzeugers gegenüber den bekannten
elektromagnetischen Schwingern bestehen hauptsächlich darin, daß mit ersterem erheblich
größere Amplituden erreicht werden, und daß praktisch jede Schwingungsfrequenz unterhalb
der Maximalfrequenz eingestellt werden kann.
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Infolge der Schwingbewegung des Rotors wird auch der Stator des Schwingmotors
gegenläufige Bewegungen zum Rotor ausführen. Die Amplituden der gegeneinander schwingenden
Körper verhalten sich dabei umgekehrt wie die dazugehörigen Massen. Es ist nun ohne
weiteres möglich, den Anschluß für die übertragung der Schwingbewegung auf irgendwelche
Körper oder Vorrichtungen entweder von dem Stator oder von dem Rotor durch Zusammenkuppeln
mit denselben abzunehmen.
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A b b. 1. zeigt das Ausführungsbeispiel eines Schwingmotors im Längsschnitt,
wie er beispielsweise im Ausführungsbeispiel A b b. 6 und 7 einer Siebvorrichtung
Verwendung finden kann.
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A b b. 2 zeigt das Schema einer Läuferwicklung für den Schwingmotor.
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A b b. 3 a bis 3 d zeigen Darstellungen über das Verhalten eines geknickten
Leiters, der in der Bildebene gesehen und nach oben und unten beweglich ist, wobei
der Pol eines Magneten unter dem Leiter von links nach rechts verschoben wird. Die
Pfeile 18 und 19 geben die Bewegungsrichtung des Leiters an.
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Ab b. 4 zeigt die Bewegungskurve eines Punktes am mittleren Umfang
des Läufers während einer Umdrehung gegenüber dem Drehfeld des Motors.
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Ab b. 5 a bis 5 h zeigen acht verschiedene Stellungen des Läufers
während einer Umdrehung gegenüber dem Statorfeld. Die Hin- und Herbewegungsrichtung
des Läufers ist durch die Pfeile 18 und 19 .gekennzeichnet.
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A b b. 6 und 7 zeigen das Ausführungsbeispiel einer Siebvorrichtung
in einem aufrechten Schnitt und einem Grundriß, bei der ein Schwingmotor nach der
Erfindung mit seinem Statorteil fest mit dem Rahmen der Siebvorrichtung verbunden
ist.
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Das Blechpaket 11 des Stators ist in bekannter Weise in dem Gehäuse
12 untergebracht. Die Gehäusedeckel sind als Luftpufferzylinder 13 ausgebildet.
In diesen sind die Kolben 14 luftdicht schließend und axial verschiebbar eingesetzt.
Um Luftverluste durch entstehende Undichtigkeiten auszugleichen, sind in den Kolben
14 oder in den Luftzylindern 13 nicht in der Zeichnung enthaltene Rückschlagventile
vorgesehen. Die beiden Kolben sind durch die Achse 15 miteinander verbunden. Auf
der Achse ist zwischen den Kolben 14 der Läufer drehbar angeordnet.
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Die Statorwicklung ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
eine normale dreipolige Drehstrommotorenwicklung,
die an ein Drehstromnetz
angeschlossen ist.
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Die Läuferwicklung besteht aus den beiden Wicklu,n I und II. In der
Längsmitte des Läufers ist die @ne Wicklung nach der einen und die andere nach tfer
anderen Richtung am Läuferumfang abgebogen. Die Läuferlänge und der Kolbenhub in
den Luftpufferzylindern sind so bemessen, daß die beiden Stirnseiten des Läufers
bei der Schwingbewegung desselben nicht in den Eisenkern des Stators eintauchen.
Der mittlere, in Richtung des Läuferumfanges verlaufende Teil der Läuferwicklung
durchschneidet bei der Schwingbewegung des Läufers das Kraftlinienfeld des Stators,
während bei der Drehbewegung des Läufers die axial verlaufenden Wicklungsteile das
Statorfeld durchschneiden. Werden bei einer Läuferumdrehung gegenüber dem Drehfeld
durch die quer verlaufenden Wicklungsteile genau soviel Kraftlinien des Statorfeldes
durchschnitten wie durch die längs verlaufenden Teile der Läuferwicklung, dann wird
die maximal höchste Schwingungszahl des Läufers erreicht.
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Ein einfaches Mittel zur Verringerung der Schwingungszahl des Läufers
besteht beispielsweise darin, daß man die Verdrehung der Läuferwicklung kleiner
macht als eine halbe Polteilung. Man kann aber auch ohne Änderung an den Wicklungen
die Schwingungsweite verkürzen, beispielsweise dadurch, daß man die Böden der Luftpufferzylinder
näher zueinander verschiebt.
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Mit der Änderung der Schwingungsweite ändert sich auch die Schwingungszahl
und damit auch die Umdrehungszahl des Läufers. Anstatt nun die Böden der Luftpufferzylinder
gegeneinander zu verschieben, kann eine Änderung der Funktionen Schwingungsweite,
Schwingungszahl und Umdrehungszahl des Läufers auch dadurch herbeigeführt werden,
daß man den Anfangsdruck in den Kompressionsräumen der Luftpuffer verändert. Dies
kann in einfacher Weise dadurch geschehen, daß man die Kompressionsräume der Luftzylinder
über die Rückschlagventile an ein Preßluftnetz unter Zwischenschaltung eines regelbaren
Druckminderungsventils anschließt.
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Mit abnehmender Schwingungszahl nimmt die Umdrehungszahl des Läufers
zu. Schiebt man die Luftzylinderböden so weit gegeneinander, daß keine Schwingbewegung
des Läufers mehr möglich ist, dann läuft der Motor mit der Umdrehungszahl eines
normalen Drehstrommotors.
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Die Umdrehungszahl eines solchen Drehstrommotors ist also auch in
weiten Grenzen regelbar oder auf eine bestimmte Umdrehungszahl einstellbar.
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Beim Anlassen eines Schwingmotors wird dieser zunächst wie ein normaler
Drehstrommotor auf die seiner Polzahl und Frequenz entsprechende Nenn- ; drehzahl
hochlaufen, weil die infolge des großen Schlupfes schnell aufeinanderfolgenden Schwingungsimpulse
gegenüber der Masse des Läufers zu schwach sind, um demselben einen nennenswerten
Schwingungsausschlag zu erteilen. Bei kleiner werdendem Schlupf dauert die Einwirkung
der Schubkräfte auf den Läufer lange genug an, um denselben bei jedem Kraftimpuls
genügend weit aus der Mittellage heraus hin- und herzubewegen und so den eigentlichen
Schwingungsvorgang einzuleiten. Neben den elektromagnetischen Kräften kommen auch
die elastischen Puffer zur Wirkung. Sie speichern die Kraftimpulse auf und geben
sie bei der Bewegungsumkehr des Läufers wieder an denselben ab. Jeder neue Kraftimpuls
steigert die Schwingungsenergie, die Schwingungszahl und die Schwingungsweite des
Läufers, bis die maximale, für den Motor charakteristische Schwingungszahl erreicht
ist, wobei gleichzeitig die Drehzahl des Motors abnimmt, der Schlupf also vergrößert
wird.
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Die Luftpuffer arbeiten praktisch immer mit demselben Luftvorrat.
Deswegen steigt die mittlere Temperatur derselben nicht wesentlich über die Raumtemperatur,
trotz der im Inneren der Luftpuffer stattfindenden Temperaturschwankungen. Die Luftpuffer
können auch durch Federn ersetzt werden. Es kann auf die Anwendung von Luftpuffern,
Federn oder anderen elastischen Mitteln ganz verzichtet werden, wenn beispielsweise
die Schwingungszahlen so niedrig gewählt sind, daß die elektromagnetischen Kräfte
des Motors ausreichen, um den Läufer und die an demselben angeschlagenen Massen
im Rhythmus der Kraftimpulse durch die Mittelstellung im Kraftlinienfeld des Stators
hin- und herzubewegen.
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Ist der Schwingmotor frei beweglich, dann führen der Läufer mit den
daran angeschlossenen Kolben einerseits und der Stator mit den daran befestigten
Teilen andererseits gegenläufige Schwingungen aus, deren Schwingungsweite zueinander
in umgekehrtem Verhältnis zu ihren Massen steht. Die erzeugten Schwingbewegungen
werden auf die zu betätigenden Arbeitsmaschinen, Vorrichtungen, Geräte oder Werkzeuge
übertragen, indem dieselben fest mit dem Gehäuse des Schwingmotors verbunden werden.
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Man kann die Schwingbewegung des Läufers auch direkt ausnutzen, indem
man beispielsweise die Läuferwelle durch einen Zylinderdeckel herausführt und dieselbe
direkt mit dem Arbeitsgerät verbindet. Verwendet man an Stelle der Luftpuffer beispielsweise
Schraubenfedern, dann ist es u. U. vorteilhaft, die Schwingungszahl so zu wählen,
daß Resonanz eintritt. Bei Verwendung von Luftpuffern ist die Vorrichtung bei jeder
Frequenz in Resonanz.
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In A b b. 2 ist die aus den beiden Teilen 1 und 11 bestehende Läuferwicklung
schematisch dargestellt. Die Wicklung 1 ist in der Längsmitte des Läufers nach rechts,
die Wicklung Il dagegen nach links stufenförmig verdreht. Jede Wicklung kann aus
einer oder mehreren Windungen bestehen.
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Wie aus den Darstellungen A b b. 3 a bis 3 d entnommen werden kann,
erzeugt die eine Wicklung die Bewegungskraft in der einen, und die andere die Bewegungskraft
in der anderen Axialverschiebungsrichtung des Läufers. Zum leichteren Verständnis
ist nur ein Teil der Leiter 1 und 1I dargestellt. Dabei soll dieser Leiterteil nur
die Möglichkeit haben, sich in der Bildebene von oben nach unten und umgekehrt bewegen
zu können. Die eingezeichneten Polflächen N und S werden, in der Bildebene gesehen,
von links nach rechts unter dem betreffenden Leiterteil bewegt. .
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Es ist gleichgültig, ob unter dem Wicklungsteil I der Nordpol oder
der Südpol des Stators in der Bildebene nach rechts durchgeschoben wird; der Leiterteil,
der sich mit dem Pol nicht verschieben kann, bewegt sich immer in der Pfeilrichtung
18 in der Bildebene nach unten (A b b. 3 b und 3 d). Ebenso ist es mit dem Leiterteil
1I. Dieser wird sich immer in der Pfeilrichtung 19 nach oben bewegen (A b b. 3 a
u. 3 c).
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Solange ein Strom in einem der Leiterteile I oder 1I induziert wird,
ist auch eine Kraft vorhanden, die die Schwingbewegung des Läufers aufrecht erhält.
Wird die Schwingbewegung nicht auf irgendeine Art abgebremst,
dann
nimmt sie so lange zu, bis durch den infolge der Schwingbewegung des Läufers erzeugten
Induktionsstrom die durch die Drehbewegung im Leiter hervorgerufene Induktion aufgehoben
wird. Das ist dann der Fall, wenn in dem gleichen Zeitraum die durch die Drehbewegung
im Drehfeld durchschnittene Kraftlinienzahl der durch die Schwingbewegung durchschnittenen
Kraftlinienzahl der Läuferwicklung einander gleich ist.
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A b b. 4 zeigt die Schwingbewegung eines Punktes am Läufermantel während
einer Umdrehung des Läufers im Drehfeld des Stators.
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In den A b b. 5 a bis 5 h ist die Läuferwicklung in schematischer
Form als Abwicklung in acht verschiedenen Stellungen dargestellt. Diese Stellungen
entsprechen den acht in der A b b.4 angegebenen Punkten a bis h, die
der Läufer bei einer Umdrehung im Drehfeld des Stators einnimmt. Zum besseren Verständnis
wird hierbei angenommen, daß die aufeinanderfolgenden Pole des ebenfalls als Abwicklung
gedachten Drehfeldes des Stators, von links nach rechts in der Bildebene gesehen,
unter den beiden Wicklungen 1 und 11 hindurchbewegt werden. Hierbei wird
wieder, wie in A b b. 3 angenommen, daß die Läuferwicklungen, in der Bildebene gesehen,
nur nach oben und unten freibeweglich sind, nach rechts oder links als keine Bewegungen
ausführen können. Die in den Wicklungen induzierten Ströme sind durch Pfeile angegeben,
ebenso die Bewegungsrichtung der Wicklungen durch die Pfeile 18 und 19.
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Wie aus den A b b. 4 und 5 ersichtlich, führt der Läufer bei einer
Umdrehung zwei Hin- und Hergänge, also zwei vollständige Schwingbewegungen, aus.
Wie schon dem vorher Gesagten zu entnehmen, ist die Schwingungszahl von der Umdrehungszahl
des Läufers abhängig. Bei dem beschriebenen zweipoligen Motor wird bei der theoretisch
erreichbaren Schwingungszahl die Drehzahl des Läufers gleich Null; umgekehrt ist
bei der theoretisch erreichbaren Drehzahl des Läufers die Schwingungszahl desselben
gleich Null.
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Bei einem vierpoligen Motor mit einer Nenndrehzahl von 1500 erhält
der Läufer vier Wicklungen. Jeder Läufer hat immer so viele Wicklungen, wie der
Stator Pole hat. Die Schwingungszahl einer Motors, gleich, wieviele Pole derselbe
hat, ist nur abhängig von der Netzfrequenz und der Schwingungsweite, für die der
Motor konstruktiv ausgelegt ist.
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Da eine Läuferwicklung den Läufer nur in der einen und die andere
Läuferwicklung den Läufer nur in der anderen Richtung verschiebt, kann eine dieser
Wicklungen auch durch eine Feder ersetzt werden, die derart angeordnet ist, daß
der Läufer immer nach oder über die Statormitte gedrückt wird.
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Infolge der Drehbewegung und gleichzeitigen Axialverschiebung des
Läufers würden bei normaler Ausführung der Blechpakete starke Wirbelströme im Eisenkern
entstehen. Um dieselben möglichst auszuschalten, ist neben der axialen Unterteilung
der Blechpakete noch eine radiale Unterteilung von Vorteil. Auch kann der Eisenkern
aus Weicheisenstaub oder Eisenkörnern hergestellt werden, die durch ein isolierendes
Bindemittel zu einem festen Körper miteinander verbunden sind.
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Die A b b. 6 und 7 zeigen als Anwendungsbeispiel eine durch den Schwingmotor
angetriebene Siebvorrichtung. Der Schwingmotor 20 ist bei diesem Anwendungsbeispiel
vermittels des Flansches 21 mit dem Siebrahmen verbunden. In diesem ist das Sieb
22 befestigt. Unter dem Sieb ist der Kasten 23 angebracht, in den das durch das
Sieb tretende Feingut fällt und bei 24 ausgetragen wird. Das gröbere Haufwerk läuft
über den Siebboden und wird bei 25 ausgetragen. Der Schwingmotor 20 schwingt mit
allen angeschlossenen Teilen in Richtung des Pfeiles 26. Die schwingenden Teile
sind mit dem Grundrahmen durch Federn 27 verbunden.