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Schwingende bzw. oszillierende, elektrische Maschine mit konstantem
Luftspalt zur Leistungsübertragung Es ist zweifellos einer der hervorragendsten
Vorteile der elektrischen Maschine, daß sie Energie in Form von rotierender Bewegung
abgibt bzw. aufnimmt. Es steht aber ebenso fest, daß zu gewissen Arbeitsleistungen
die hin und her gehende Bewegungsform nicht umgangen werden kann.
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Es entsteht somit die Aufgabe, hin und her gehende Dynamomaschinen
und Elektromotoren mit gutem Wirkungsgrad zu bauen.
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Will man das Problem selbst bzw. das, was hiervon als bekannt anzusehen
ist, untersuchen, so kann man die einschlägigen Schwingungsarten wie folgt einteilen:
r. elektrische Schwingungen, a. mechanische Schwingungen und 3. elektromechanische
Schwingungen.
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Die elektrischen Schwingungsvorgänge zerfallen ihrerseits in a, den
technischen Wechselstrom, bei dem man bereits den Begriff Synchronismus (Abstimmung)
kennt; der aber im übrigen bei konstanter Strom- und Spannungsamplitude verläuft
und der zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades durch möglichst streuungslose,
also t ooprozentig bzw. fest gekoppelte Transformatoren übertragen wird, und b,
die Hochfrequenz- oder Radioschwingungen, bei denen die Abstimmung bzw. Resonanz
bekanntlich eine dominierende Rolle spielt, die mit veränderlicher, von der Dämpfung
abhängiger Amplitude verlaufen und zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades mit
absichtlich stark streuenden und nur einen Bruchteil der Schwingungsenergie übertragenden,
also lose gekoppelten Transformatoren arbeiten.
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Die mechanischen Schwingungen zerfallen in,a" die zwangläufigen, mechanischen,
Schwingungen. Auch hier ist wie unter 'a, ein Synchronismus denkbar, er hat jedoch
keine Bedeutung. Ferner ist zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades eine starre,
iooprozentige Kopplung erforderlich.
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Die lose gekoppelten, mechanischen Schwingungen b"1 mit veränderlicher
Amplitude sind zwar beispielsweise auf akustischem Gebiet bekannt, aber zur Leistungsübertragung
im Maschinenbau bisher nicht- angewendet worden. Auch hier dominiert das Abstimm-und
Resonanzphänomen, ist die Amplitude von der Dämpfung abhängig und ein guter v(Tirkungsgrad
wie bei der elektrischen Hochfrequenzschwingung nur erzielbar, wenn der Dämpfung
entsprechend nur ein Bruchteil der Schwingungsenergie durch sogenannte lose Kopplung
zum Zwecke der Erregung übertragen wird.
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Die Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis, daß schwingende, elektrische
Maschinen zur Leistungsübertragung mit gutem Wirkungsgrad herstellbar sind, wenn
man das unter bn gekennzeichnete Schwingungsprinzip zur Anwendung bringt.
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Hierdurch entsteht für Zwecke der Leistungsübertragung neben den bekannten
aem zwangläufigen, elektromechanischen Schwingungen
mit konstantem
Ausschlag und starrer (l oo %) Kopplung das den Erfindungsgegenstand bildende System
der be," lose gekoppelten, elektromechanischen Schwingungen, bei denen analog wie
bei b, und b," die Abstimmung dominiert und die Erregerleistung durch lose, in Prozenten
zur Schwingungsenergie meßbare Kopplung zugeführt wird.
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Bei den bisher zur Lösung einzelner Spezialaufgaben konstruierten
elektrischen Maschinen, die schwingende Bewegungen ausführen, handelt :es sich um
zwangläufige, einseitig oder beiderseitig begrenzte hin und her gehende Bewegungen,
bei denen die der bewegten Masse innewohnende Energie pro Schwingung oder Halbschwingung
jedesmal vollkommen oder doch nahezu vollkommen vernichtet wird.
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Gegenstand der Ansprüche sind somit eletrische Maschinen, die schwachgedämpfte,
elastische, freie Schwingungen ausführen oder motorisch verwerten. Unter schwachgedämpften,
elastischen, freien Schwingungen werde Koppel- und abstimmbare hin und her gehende
Bewegungen verstanden, bei denen die bewegten Massen derart mit elastischen Mitteln
kombiniert sind, daß die SchwingungsampIitude je nach der den Massen innewohnenden
Energie zu- oder abnehmen kann und daß den hin und her gehenden. Massenteilen vor
Erreichung der Grenzlage ein Teil oder die gesamte innewohnende lebendige -Kraft
entzogen, vorübergehend akkumuliert und nach Umkehr der Bewegungsrichtung wieder
zugeführt wird.
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In der Erfindung werden solche elektrischen Maschinen und _Motoren
für hin und her gehende (schwingende) Bewegungen gekennzeichnet. In Abb.l
ist eine beispielsweise Ausführungsform schematisch zur Darstellung gebracht. Der
Rotor a trägt eine Ankerwicklung f für einphasigen Wechselstrom und ist mit einer
Achse b versehen und in der üblichen Weise gelagert. Zwei Spiralfedern c c, die
mit je einem Ende außerhalb des Motors an Fixpunkten befestigt sind, sind mit ihrem
anderen Ende fest mit der Achse b des Rotors verbunden. Der Rotor kann somit keine
volle Drehung um seine Achse ausführen. Bewegt er sich in Richtung des Pfeiles I
um einige Grade nach rechts, so werden analog wie bei der Unruhe einer Uhr die Spiralfedern
zusammen- bzw. aufgerollt, wodurch sie immer mehr und mehr potentielle Energie aufnehmen.
Läßt man den Anker in diesem Zustande plötzlich los, so kehrt er in Richtung des
Pfeiles 1I zurück, überschreitet die Mittellage und bewirkt auf diese Weise durch
Auf- bzw. Zusammenrollen der Feder c c eine Energieakkumulierung im umgekehrten
Sinne, so daß nach Überschreitung der Grenzlage wieder die Bewegung im Sinne des
Pfeiles I stattfindet und so fort. D. h. also, der beschriebene Anker führt, mit
einem entsprechenden, d. h. die Energie mit loser Kopplung übertragendem Antriebe
versehen, wie die Unruhe einer Taschenuhr pendelnde Bewegungen aus, wodurch unter
-der Voraussetzung, daß die angegebenen Pole mit Gleichstrom erregt werden,
ein Wechselstrom in. der Ankerwicklung entsteht. Der Wechselstrom kann im vorliegenden
Falle, da bei der beschriebenen pendelnden Bewegung ein Kollektor nicht erforderlich
ist, durch zwei einfache Leitungen an zwei Punkten entgegengesetzten Potentials
des Ankers abgenommen werden. Selbstverständlich kann das beschriebene Prinzip auch
angewendet werden bei zwei- und mehrpoligen Maschinen. Soll die Maschine anstatt
mit Fremderregung mit Selbsterregung arbeiten, so muß bei jeder Bewegungsumkehr
der Magnetstrom umgeschaltet werden. Eine beispielsweise Ausführung hierfür ist
in der schematischen Darstellung (Abb. a) angegeben. Hierin bedeutet ml und m2 die
beiden Magnete, a den Anker. Letzterer trägt zwei Kontakte e und f, von denen
der Magnetstrom, dessen Richtung durch Pfeile eingezeichnet. ist, abgenommen wird.
Dreht sich der Anker nach rechts im Sinne des Pfeiles I, so legt sich der Kontakt
f an den Kontakt h und der Kontakte an den Kontakt g. Kehrt der -Anker
seine Bewegungsrichtung um, so verläßt der Kontakte den Kontakt g und berührt den
Kontakt i. Ferner verläßt der Kontakt/ den Kontakt lt und legt sich an den Kontakt
k. Durch diese Umschaltung bleibt trotz der Änderung der Stromrichtung im Anker
a die Richtung des Stromes in der Magnetwicklung erhalten. Eine grundsätzlich andere
Ausführungsform einer pendelnden bzw. schwingenden Dynamomaschine wird in Abb.3
veranschaulichta stellt einen Anker dar, dessen Wicklung nicht wie bei normalen
Ausführungen in Richtung der Längsachse, sondern nach Art von Gewindegängen verläuft.
m ist ein ununterbrochen um den Anker herum angeordnetes Hqhlzylindermagnetgehäuse.
n stellt die Erregerwicklung dar, die, von Strom durchflossen, auf der einen Seite
des Magnetgehäuses einen Nord-, auf der anderen Seite einen Südpol erzeugt. Nimmt
man an, daß durch Verwendung von Fremderregung eine ganz bestimmte Polarisierung
hervorgerufen worden wäre und nunmehr der Anker a abwechselnd in Richtung des Pfeiles
I und 1i in Schwingung versetzt wird, so entsteht natürlich in der Ankerwicklung
ein Wechselstrom, der durch die beiden Leitungen e und f abgenommen werden kann.
Auch in dieseln
Falle kann die Maschine, wie in Abb. a dargestellt
ist, mit Selbsterregung betrieben werden.
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Ferner ist es auch im vorliegenden Falle möglich, mehrere Systeme
hintereinanderzuschalten und - auf diese Weise die Polzahl beliebig zu vergrößern.
Des weiteren ist es denkbar, wie im normalen Maschinenbau den Anker als Stator auszubauen
und nach außen hin zu verlegen und die Pole nach innen. Es ist ferner durchführbar,
das Magnetgehäuse anstatt als Hohlzylinder auszubilden, aus einzelnen U-förmigen
Magneten zusammenzusetzen. Ebenso muß der Anker im vorliegenden Falle durchaus nicht
rund sein, sondern er kann nach Belieben als Vieleck ausgebildet werden. Sowohl
beim vieleckigen als auch beim runden Anker kann dafür Sorge getragen werden, dah
die gesamte Ankerwicklung wirksam an der Stromerzeugung teilnimmt, was als besonderer
Vorteil auch gegenüber rotierenden Ankern, bei denen die Stirnseiten unwirksam bleiben,
angesehen werden muß. Zur Hubbegrenzung einerseits und zur Akkumulierung der während
der Bewegung aufgespeicherten lebendigen Kraft andererseits müssen in die Bewegungsbahn
des schwingenden Ankers, -wie dies bereits bei Ausiführung nach Abb. i veranschaulicht
worden ist, elastische Mittel (Federn oder andere elastische Stoffe bzw. Räume
I a, II ß, III Y und IV b zur Komprimierung oder Ausdehnung gasförmiger Mittel)
eingeschaltet werden. Im vorliegenden Fall ist rechts und und links je ein Zylinder
angeordnet, dem diese Energieakkumulierungsarbeit ' zufällt. Es kann sich hierbei
sowohl um Zylinder handeln, in denen lediglich Luft komprimiert wird, es können
dies jedoch auch die Arbeitszylinder von Explosionsmotoren sein, sofern mit dem
Arbeitsvorgang einer Energieakkumulierung Hand in Hand geht.
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Grundbedingung für die Aufrechterhaltung des Schwingungsvorganges
ist, daß den hin und her gehenden Massenteilen vor überschreitung der Grenzlage
ein Teil oder die gesamte innewohnende lebendige Kraft entzogen, vorübergehend akkumuliert
und nach Umkehr der Bewegungsrichtung wieder zugeführt wird. Um dies mit möglichst
geringen Verlusten erzielen zu können, ist es erforderlich, da.ß das aus der Masse
des schwingenden Ankers und den verwendeten elastischen Mitteln bestehende schwingende
System in Resonanz mit dem Antriebsmechanismus gebracht und lose gekoppelt wird;
d. h. die Eigenschwingung des erwähnten Systems wird mit der Schwingungszahl oder
Tourenzahl des Antriebsmechanismus gleichgestimmt.
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Um die beschriebene Maschine (Abb. i bis 3) als Motor laufen zu lassen,
bedarf es nur der sinngemäßen Umkehrung des oben Gesagten. D. h. während bei der
Dynamomaschine ein elastisch schwingender, massenbegabter Mechanismus, der mit der
Antriebsvorrichtung in Resonanz arbeitet, elektrischen Strom erzeugt, wird beim
Motor ein ebensolcher Mechanismus durch Wechselstrom, unterbrochenen oder kommutierten
Gleichstrom zum Zwecke der Leistungsabgabe in schwingende Bewegung von gleicher
Periodenzahl versetzt.