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An Wechselstrom angeschlossene Einrichtung zur elektrischen Erzeugung
' mechanischer Bewegungen Eg sind bereits an Wechselstrom angeschlossene Einrichtungen
zur elektrischen Erzeugung mechanischer hin und her gehender Bewegungen vorgeschlagen
worden, die aus einem magnetisch beeinflußbaren System bestehen, das über einen
an sich bekannten Kippkreis, d. h. eine Reihenschaltung von gesättigten Induktivitäten
und Kapazitäten, gesteuert wird.
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Ihre praktische Anwendung finden derartige Einrichtungen meist bei
elektromagnetisch betriebenen Hämmern, die entweder einspulig oder zweispulig arbeiten.
Bei einspuliger Ausführung wird die Schlagenergie von einer Schlagspule aufgebracht,
während die Rückziehung -des Hammers durch'einen Kraftspeicher, beispielsweise eine
Feder, erfolgt. Bei zweispuliger Anordnung ist eine Rückzugs- und eine Schlagspule
angeordnet, von denen die letztere die Schlagenergie aufbringt, während die erstere
die Rückziehung des Hammerbärs übernimmt, wobei meist zwecks schnellerer Umkehr
der Bewegungsrichtung des Hammerbärs am Ende des Rückhubes eine Rückprallfeder o.
dgl. angeordnet ist. Die Wirkungsweise derartiger Einrichtungen mit Kippkreis beruht
darauf, daß die Spule in offenem Zustand ein Minimum an induktivem Widerstand besitzt
und daher einen starken Strom aufnimmt, der das Hineinziehen des Hammerbärs in die
Spule bewirkt, während die Spule in geschlossenem Zustand, also bei eingezogenem
Hammerbär, ein Maximum an induktivem Widerstand besitzt, wodurch.- der Strom in
der Spule klein wird und das Herausziehen des Hammerbärs aus der Spule durch eine
zweite Spule oder durch einen Kraftspeicher ermöglicht wird. Zu diesem Zweck sind
die Induktivitäten und Kapazitäten dabei in bestimmter Weise aufeinander abgestimmt,
wodurch der das Sy-
stem speisende Wechselstrom periodisch von
einem
Strommaximum auf ein Stromminimum abkippt.
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Es hat sich gezeigt, daß ein aus Induktivitäten und Kapazitäten bestehender
Schwingkreis, der auf ein bewegliches und magnetisch beeinflußbares System einwirkt,
bei Anschluß der Gesamtanordnung an Wechselstrom auch dann zur elektrischen Erzeugung
mechanischer Bewegungen dienen kann, wenn der Schwingkreis nicht als Kippkreis arbeitet,
also nicht mit Durchgang durch den Resonanzzustand und periodisch abwechselnd vor-
und nacheilenden Strom, sondern nur zwischen dem Resonanzzustand als oberer Stromgrenze
und dem Zustand höchster Gesamtinduktivität als unterer Stromgrenze.
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Erfindungsgemäß ist dieses dann möglich. wenn die mit den Induktivitäten
in Reihe liegenden Kapazitäten derart aufeinander und auf die Wirkwiderstände des
Gesatntkreises abgestimmt sind, daß in jeden Nutzhub die maximalen Stromhalbwellen
mit möglichst großen Werten des Anstiegs der magnetischen Leitfähigkeit des beweglichen,
magnetisch beeinflußbaren Systems zusammenfallen oder mit anderen Worten, daß für
jede Magnetspule die Größtwerte der Stromhalbwellen während des Nutzhubes, die Kleinstwerte
während des Rücklaufs auftreten. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung können
sich dabei die Gesamtinduktivitäten des Kreises aus festen und veränderlichen Induktiv
itäten zusammensetzen, wobei die festen Induktivitäten die Charakteristik einer
gesättigten oder ungesättigten Drossel aufweisen. Durch Anwendung an sich bekannter
Kunstschaltungen in Verbindung mit dem Erfindungsgegenstand, wie z. B. transformatorischer
Ankopplung der Induktivitäten und Kapazitäten än das magnetisch beeinflußbare System
oder durch die Parallelschaltung weiterer Kapazitäten zu den Induktivitäten und
die evtl. teilweise Ausbildung der unveränderlichen Induktivitäten ' als gleichstromvormagnetisierte
Drosseln, sind besonders zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung
zu erzielen.
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Es sind bereits Einrichtungen zur elektrischen Erzeugung mechanischer
Bewegungen mittels veränderlichen Induktivitäten bekanntgeworden, die aus einem
beweglichen, magnetisch beeinflußbaren System bestehen und zu denen Kapazitäten
in Reihe geschaltet sind. Dabei handelt es sich jedoch um reine Kippkreisanordnungen,
bei denen der Resonanzpunkt überschritten wird. Beim Erfindungsgegenstand tritt
jedoch ein derartiges Kippen nicht ein.
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An Hand der Zeichnung sei der Erfindungsgegenstand beispielsweise
in Anwendung auf einen mit Wechselstrom betriebenen Elektrohammer beschrieben, der
aus einer Rückzugspule und einer Schlagspule bestehen möge, .innerhalb deren ein
von diesen beiden Spulen magnetisch beeinflußter Hammerbär unter Anordnung eines
elastischen Rückprallmittels, beispielsweise einer Schraubenfeder, hin und her schwingt,
dessen Bewegungsenergie in bekannter Weise auf einen Meißel o. dgl. zwecks Leistung
mechanischer Schlagarbeit übertragen wird. Die in den Abb. i und 2 dargestellten
Charakteristiken sind dabei der Übersichtlichkeit halber nur für eine Spule, also
beispielsweise für die Schlagspule, aufgetragen.
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Die Abb. ja veranschaulicht die Stromspannungscharakteristiken einer
Spule in den beiden Grenzstellungen des Hammerbärs, d. h. die Linie a veranschaulicht
den Verlauf der Spannung in Abhängigkeit vom Strom bei offener Spule, d. h. bei
nicht in die Spule hineingezogenem Hammerbär, während die Linie b den Spannungsverlauf
in Abhängigkeit vom Strom bei geschlossener Spule, also bei in die Spule hineingezogenem
Hammer-' bär, darstellt. Die gestrichelt dargestellten Linien zwischen diesen beiden
Grenzstellungen veranschaulichen beispielsweise Zwischenstellungen des Hammerbärs.
Die Abb. ja gilt dabei für rein induktive Verhältnisse. Wird zu den Induktivitäten
der Abb. ja beispielsweise die in der Abb. ib festgelegte Kapazität in Reihe geschaltet,
so ergibt sich das Schaubild nach Abb. ic, wobei ä den Gesamtspannungsverlauf bei
offener Spule und b' den Gesamtspannungsverlauf bei geschlossener Spule veranschaulicht,
während die Charakteristiken a und b den Charakteristiken a und
b der Abb. i entsprechen.
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Aus der Abb. ic ergibt sich deutlich die Tatsache, daß durch die Reihenschaltung
der Hammerspule mit einer Kapazität bei konstanter Netzspannung die Hammerspannung
bei offener Spule beträchtlich größer ist als die angelegte Gesamtspannung.
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Zur Verdeutlichung dieser Tatsachen ist die gestrichelte Linie CA
mit den zugehörigen Strömen eingetragen. Die Hammerspannung bei offener Spule ist
durch den Punkt B dargestellt, während die Hammerspannung bei geschlossener Spule
durch den Punkt D veranschaulicht wird. Gleichzeitig wird hierdurch versinnbildlicht,
daß der Strom zwischen den Grenzwerten B und D bei offener und geschlossener Spule
hin und her springt, woraus sich die selbsttätige Steuerung des magnetisch beeinflußten
Systems, also im Ausführungsbeispiel des Hammers, bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Verhältnisse ergibt. Die Verwendung eines elastischen Rückprallmittels am Ende des
Rückhubes des Hammerbärs zwecks
einer schnellen Umkehr der Bewegungsrichtung
ist dabei selbstverständlich erwünscht.
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Bei der Schilderung der bisherigen Verhältnisse war unterstellt, daß
die außer dem Elektromagneten des Hammers evtl. vorhandenen Induktivitäten von einer
Luftdrossel, d. h. von einer Drossel mit gradliniger Charakteristik gebildet sind.
Wird statt dessen eine gesättigte Drossel verwendet oder wird zu der Luftdrossel
eine gesättigte Drossel in Reihe geschaltet, so ergibt sich beispielsweise das Schaubild
nach Abb.2, in der mit a und b wiederum die Grenzstellungen der Abb. r a,
mit c die Kapazität der Abb. rb und mit d die Charakteristik der gesättigten Drossel
veranschaulicht ist. In Abb. 2 a sind nun die entsprechenden Resultierenden eingetragen,
wobei b1 den Stromspannungsverlauf des Gesamtsystems bei geschlossener Spule und
a1 dasselbe bei offener Spule veranschaulicht. Es ergibt sich hierbei die Tatsache,
daß die Kapazität C im Gebiet kleiner Ströme durch die geettigte Drossel überkompensiert
wird, wodurch die beiden Resultierenden a, und bi einen steileren Verlauf als in
Abb. rc erhalten. Hierdurch wird in Verbindung mit der Tatsache, daß die Charakteristik
a1 für den offenen Hammer einen gekrümmten Verlauf aufweist, bei konstanter Netzspannung
eine weitere starke Verringerung der Spannung am geschlossenen Hammer bedingt, was
selbstverständlich auch eine in jedem Falle erwünschte Verringerung des Spulenstromes
mit' °sich bringt. Zur Veranschaulichung dieser Tatsache ist wiederum. eine gestrichelte
LinieHF konstanter Spannung mit den zugehörigen Strömen eingetragen.
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Durch die soeben beschriebene und durch die zusätzliche oder alleinige
Verwendung einer gesättigten Drossel bedingte beträchtliche Verringerung des Spulenstromes
bei geschlossenem Hammer wird die Umkehrung der Bewegungsrichtung des Hammerbärs,
d. h. das Entfernen des beweglichen Schlagbolzens von dem Pol des ruhenden Magneten,
erleichtert und die Gefahr des bei elektromagnetischen Schlagwerkzeugen oft auftretenden
Klebens des Schlagbolzens beträchtlich verringert.
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In Abb.3 ist zur weiteren Veranschaulichung der Verhältnisse beispielsweise
.der Stromverlauf in der Rückhubspule und in der Schlagspule eines elektromagnetischen
Schlagwerkzeugs in Abhängigkeit vom Weg des Hammerbären zwischen seinen Grenzstellungen
für die an Hand der Abb. 2,a: beschriebenen elektrischen Verhältnisse oszillographisch
dargestellt. Aus Abb.3 geht hervor, daß die zeitliche Zu- und Abnahme der Stromhalbwellen
dem zeitlichen Verlauf der mechanischen Bewegung angepaßt sein muß, und zwar so,
daß in jeder Magnetspule die großen Stromhalbwellen während der Zeit des jeweiligen
Nutzhubes auftreten, d. h. während der Zunahme der magnetischen Leitfähigkeit, die
kleinen Halbwellen hingegen während des Rücklaufs, d. h. während der Abnahme der
magnetischen Leitfähigkeit. Nur dann wird die Nutzarbeit möglichst groß, die schädliche
Bremsarbeit möglichst klein. Da keine völlige Ausschaltung des Stromes während des
Rücklaufs wie z. B. bei Kontaktschaltung eintritt, ist auch. die nachteilige Bremsarbeit
während des jeweiligen Rücklaufs unvermeidlich. Um so mehr ist die erfindungsgemäße
Abstimmung der Induktivitäten und Kapazitäten aufeinander und auf die Wirkwiderstände
des Kreises derart, daß in jedem Nutzhub die maximalen Stromhalbwellen mit möglichst
großen Werten des Leitfähigkeitsanstieges zusammenfallen, notwendig.
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Welche Größe dabei die Zeitkonstanten haben müssen, um ein :Maximum
der Hubarbeit zu erreichen, hängt aber wiederum von der Ausbildung des magnetischen
Kreises- ab, d. h. von der Abhängigkeit seiner magnetischen Leitfähigkeit vom Weg.
Steigt beispielsweise die Leitfähigkeit erst gegen Hubende steiler an, so muß angestrebt
werden, daß gegen Hubende noch möglichst große Stromhalbwellen vorhanden sind; denn
die magnetische Zugkraft ist in jedemAugenblick bekanntlich proportional der Änderung
der Leitfähigkeit mal dem Quadrat des Augenblickswertes des Stromes. Liegt der Leitfähigkeitsanstieg
jedoch mehr am Hubbeginn, so muß auch das Maximum der Stromhalbwellen möglichst
am Hubbeginn liegen.
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Würde die erfindungsgemäße Abstimmung der Induktiv itäten und Kapazitäten
aufeinander und auf die Wirkwiderstände des Kreises nicht vorgenommen, so würde
beispielsweise bei zu großen Zeitkonstanten im Verhältnis zum mechanischen Bewegungsverlauf
das Abklingen des Stromes zu langsam erfolgen; das würde bedeuten, daß der am Ende
der mechanischen Bewegung verbleibende Reststrom zu groß wäre, um eine einwandfreieBewegungsumkehr
desHammerbärs zu gestatten. Im anderen Falle, d. h. bei zu kleiner Zeitkonstante
im Verhältnis zum mechanischen Bewegungsverlauf, würde das Strommaximum zu früh
eintreten, wodurch ebenfalls der zweckmäßige Bewegungsablauf gestört, nämlich gehemmt
würde. Diese Tatsachen lassen einwandfrei die Kurven der Abb. 3 erkennen.
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In Abb.:I ist die Prinzipschaltung der erfindungsgemäßenEinrichtung
zur elektrischen
Erzeugung mechanischer Bewegungen unter Berücksichtigung
der bisher beschriebenen Verhältnisse dargestellt. Mit D sind die Induktivitäten
und mit C die hierzu in Reihe geschalteten Kapazitäten bezeichnet, währen-1 mit
beiden das magnetisch beeinflußbare Bewegungssystem K, also im gewählten Ausführungsbeispiel
derElektrohammer, inReihe geschaltet ist. Die Speisung der Einrichtung erfolgt aus
einer Wechselstromquelle.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung kann, wie in Abb. 5 beispielsweise
dargestellt, zweckmäßig die Ankopplung der Induktiv itäten und Kapazitäten an das
magnetisch beeinflußbare Bewegungssystem, also beispielsweise an den Hammer, transformatorisch
erfolgen. Mit einer derartigen Schaltung wird der Vorteil erreicht, daß die zur
Erzielung der notwendigen Kapazitäten erforderlichen Kondensatoren C dadurch verkleinert
werden können, daß sie an eine höhere Spannung gelegt werden, ohne daß zufolge der
Zwischenschaltung des Transformators T die Berührungsspannung am Hammer K unzulässig
hoch wird. Außerdem ist es durch diese transformatorische Ankopplung des Hammers
möglich, den Füllfaktor der Hammerwicklung durch Erniedrigung der Spannung bzw.
durch die damit verbundene Erhöhung des Stromes zu verbessern, wodurch eine sehr
erwünschte Verkleinerung der Hammerabmessungen erreicht werden kann.
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Eine weitere Fortbildung des Erfindungsgedankens ist in der Abb.6
dargestellt, gemäß welcher in an sich bekannter Weise zu den Induktivitäten D weitere
Kapazitäten Cl parallel geschaltet sind. Um die an Hand der Abb. 5 erläuterten Vorzüge
zu erzielen, kann dabei wiederum der Hammer über einen Transformator (T) mit den
Kapazitäten und Induktiv itäten verbunden werden.
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Diese an sich bekannte Parallelschaltung der Kapazitäten C1 zu den
Induktivitäten D hat zur Folge, daß im Gesamtstrom Oberwellen auftreten, deren Ordnungszahl
in bekannter Weise durch den Sättigungsgrad der Induktivitäten D bestimmbar ist.
Durch diese Oberwellen wird erreicht, daß der Spulenstrom bei seiner Umkehrung vom
Positiven ins Negative und umgekehrt nicht nur einen einzigen Nulldurchgang, sondern
eine ganze Reihe nebeneinanderliegender Nulldurchgänge aufweist, wie dieses beispielsweise
in der Abb. 7 veranschaulicht ist. Hierdurch wird ein weicheres Arbeiten des Hammers
bedingt, da der Zeitpunkt der Bewegungsumkehr nicht mehr streng an den Nulldurchgang
der Grundwelle des Stromes gebunden ist. Es ergeben sich vielmehr eine ganze Reihe
verschiedener Nulldurchgänge, von denen sich der Hammer, elektrisch betrachtet,
bei der Umkehr der Bewegungsrichtung des Hammerbars den für den derzeitigen Betriebszustand
geeignetsten aussuchen kann. Durch die beschriebene Maßnahme wird das sogenannte
Stottern des Hammers bei der Bewegungsumkehr des Hammerhärs, das durch mangelhafte
Anpassung zwischen der aufgedrückten Netzfrequenz und der beim derzeitigen Betriebszustand
des Hammers sich einstellenden Schlagfrequenz verursacht wird, vermindert.
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Es möge noch darauf hingewiesen werden, daß Einrichtungen zur elektrischen
Erzeugung mechanischer Bewegungen, bei denen mit den beweglichen, magnetisch beeinflußbaren
Systemen Kapazitäten in Reihe geschaltet sind, von sich aus. immer nur mit ganzzahligen
Bruchteilen der aufgedrückten doppelten Netzfrequenz am besten arbeiten. Ein gemäß
der Erfindung gebauter Elektrohammer wird also ebenfalls bei einer Netzfrequenz
f immer am besten mit Schlagfre-. quenzen arbeiten, die durch das Verhältnis
dargestellt sind, wobei a gleich oder größer als z und eine ungebrochene Zahl ist.
Es tritt nun sehr oft der Fall ein, daß bei der Bewegungsumkehr des Hammerbars die
derzeitige Schlagfrequenz die soeben gestellte Bedingung nicht erfüllt. Durch die
im Gesamtstrom vorhandenen negativen Oberwellen und die damit bedingte größere nebeneinanderliegender
Nulldurchgänge bei Parallelschaltung eines Kondensators bestimmter Größe für gesättigte
Drosseln wird dem Hammer nun die Möglichkeit gegeben, sich bei der Bewegungsumkehr
des Hammerbars einen für die derzeitige Schlagfrequenz geeigneten Nulldurchgang
auszusuchen, d. h. selbsttätig das richtige Verhältnis zwischen Netzfrequenz und
derzeitiger Schlagfrequenz herzustellen.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung ist es zweckmäßig, die
erfindungsgemäß zu verwendenden Induktivitäten derart aufzubauen, daß zumindest
ein Teil von ihnen von einer gleichstromvormagnetisierten Drossel gebildet wird.
.Die Verhältnisse hierfür sind beispielsweise in der Abb. 8 veranschaulicht, in
der D die Gesamtcharakteristik bei offenem Hammer ohne gleichstromvormagnetisierte
Drossel, Dg die Charakteristik einer gleichstromvormagnetisierten Drossel und
D' die aus D und Dg zusammengesetzte resultierende Charakteristik
d:=s Hammers darstellen. Es ergibt sich aus der Abb. 8, daß durch die Verwendung
einer gleichstromvormagnetisierten Drossel das Ende der resultierenden Hammercharakteristik
nach oben gezogen wird. Hierdurch
wird dei# große Vorteil erreicht,
daß selbst bei stark ansteigender Netzspannung keine wesentliche Erhöhung des Stromes
mehr eintritt, wodurch eine Begrenzung der Leistungsaufnahme des Hammers selbst
bei ansteigender Spannung erreicht wird. Hierdurch wird vermieden, daß sich der
Hammer bei hohen Spannungen unerwünscht- beschleunigt, was sonst stets zu einem
sog. Stottern des Hammers Anlaß gibt, da der Hammerbär bei unerwünschter Steigerung
der Leistungsaufnahme des Hammers durch die übergroße Beschleunigung außer Tritt
fällt.
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In Abb. 9 ist eine weitere Anwendung des Erfindungsgedankens dargestellt.
Nach Abb. 9 ist es bei einem mit zwei abwechselnd gespeisten Magnetspulen versehenen
System, dessen bewegliche Anker mechanisch miteinander gekuppelt sind, also beispielsweise
bei einem Zwei-spulenelektrohammer, möglich, die festen Induktivitäten beider Kreise
ganz oder teilweise durch eine beiden Kreisen gemeinsam vorgeschaltete feste Induktivität,
z. B. eine ungesättigte Drossel, zu ersetzen, die dann auch für das an Hand' der
Abb. 8 beschriebene Ausführungsbeispiel gleichstromvormagnetisiert sein kann. In
Abb.9 sind mit K1 und K2 die beiden Magnetspulen des Magnetmotors, mit Dl und C1
sowie D2 und C2 die mit den Spulen in Reihe liegenden festen Induktivitäten sowie
Kapazitäten bezeichnet, während D,, die beiden Kreisen gemeinsam vorgeschaltete
feste und unter Umständen gleichstromvormagnetisierte Induktivität darstellt. Durch
die vorgeschaltete Induktivität D" wird die Spannungsempfindlichkeit des Kreises
vermindert.