DE102004045601B3

DE102004045601B3 - Verfahren und Vorrichtung zum elektromagnetischen Umformen von Werkstücken

Info

Publication number: DE102004045601B3
Application number: DE200410045601
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr.-Ing. Rindfleisch; Joerg Herrich
Original assignee: KUKA Schweissanlagen GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2024-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Umformen von Werkstücken (23) mit einer Ladestromquelle (1), einem Ladestromkreis (27) und mindestens einem Umformstromkreis (2) mit mindestens einer Umformspule (7) und einem Kondensator (8). In einem Aufladevorgang wird im Umformstromkreis Energie gespeichert, wobei die Umformspule (7) über einen Ladestromschalter (5) in den Ladestromkreis (27) geschaltet ist und beim Aufladen die elektrische Energie in der Umformspule (7) gespeichert wird. Beim Aufladen der Umformspule (7) wird dabei das Werkstück (23) vormagnetisiert und seine magnetische Flussdichte B bis in den Sättigungsbereich erhöht. Bei einem anschließenden Entladevorgang werden ein Hochenergieimpuls und eine auf das Werkstück (23) einwirkende Magnetkraft F erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektromagnetischen Umformen von Werkstücken mit Hochenergieimpulsen.

Eine solche elektromagnetische Umformvorrichtung ist aus der DD 146 403 bekannt. Sie besitzt eine Ladestromquelle mit einem Ladestromkreis und einem angeschlossenen Umformstromkreis, der eine Umformspule, einen Entladungsschalter und einen Kondensator aufweist und als Schwingkreis fungiert. In einem Aufladevorgang wird im Umformstromkreis elektrische Energie gespeichert. Dies geschieht auf kapazitivem Wege, wobei der Kondensator an den Ladestromkreis mittels eines vorgeschalteten Ladewiderstands angeschlossen ist und aufgeladen wird. Beim anschließenden Entladen des Kondensators über den geschlossenen Entladungsschalter werden ein Hochenergieimpuls und eine auf das Werkstück einwirkende Magnetkraft erzeugt, mit der das Werkstück in der gewünschten Weise umgeformt wird. Mit dieser elektromagnetischen Umformtechnik werden bei Werkstoffen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und geringer magnetischer Leitfähigkeit, z.B. Kupfer oder Aluminium, befriedigende Ergebnisse erzielt. Bei Werkstücken aus ferromagnetischen Materialien, z.B. Stahlblechen, sind die Verformungsergebnisse ungenügend. Problematisch ist ferner, dass für den industriellen Einsatz sehr hohe Lade-Gleichspannungen von mehreren kV erforderlich sind, die besondere und aufwändige Sicherheitsmaßnahmen erfordern und außerdem die Baugröße der Umformspule und die Größe der zu verformenden Werkstücke begrenzen. Ungünstig sind ferner die sehr langen und mehrere Sekunden dauernden Ladevorgänge, welche die Taktzeit erhöhen und damit die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit der Umformeinrichtung empfindlich mindern. Die industriellen Einsatzmöglichkeiten sind dadurch begrenzt. Dies gilt insbesondere für die Massenfertigung von Bauteilen, speziell bei der Fertigung von metallischen Karosseriebauteilen von Fahrzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine bessere elektromagnetische Umformtechnik aufzuzeigen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Verfahrens- und Vorrichtungshauptanspruch.

Bei der beanspruchten elektromagnetischen Umformtechnik wird statt des Kondensators die Umformspule aufgeladen und dort die für den Hochenergieimpuls benötigte elektrische Energie gespeichert. Dies hat verschiedene Vorteile.

Zum einen werden beim Aufladen wesentlich niedrigere Spannungen als beim Stand der Technik benötigt, welche sich im Bereich der Netzspannung bewegen und deutlich unter 1 kV liegen können. Bei der Spulenladung wird statt dessen mit hohen Ladeströmen gearbeitet, was geringere Sicherheits- und Handlingsprobleme mit sich bringt. Der Kondensator hat die Funktion eines Umladekondensators, an dem Spannungsspitzen beim Entladen der Spule nur impulsweise auftreten. Andererseits kann im Vergleich zum Stand der Technik mit Kondensatorladung die Umformspule bei gleicher Amperewindungszahl bzw. Durchflutung in der erfindungsgemäßen Ausführung eine größere Windungszahl haben, was zu niedrigeren Strömen im Umformstromkreis führt.

Bei der erfindungsgemäßen Umformtechnik ist die bisherige Beschränkung für die Spulen- bzw. Anlagengröße und die Größe der zu verarbeitenden Werkstücke aufgehoben. Bei gleicher Spulengröße kann außerdem durch die Impuls-Kondensatorauslegung die beanspruchte elektromagnetische Umformeinrichtung in der Baugröße gegenüber dem Stand der Technik verringert werden.

Die erfindungsgemäße Spulenladung hat ferner den Vorteil, dass die Umformspule und der Kondensator im Umformstromkreis unter Verzicht auf einen Entladungsschalter fest verdrahtet sein können. Diese Verschaltung und die kleinere Lade-Gleichspannung verringern die Schwingkreis-Drahtlänge und ermöglichen eine räumlich eng benachbarte Anordnung von Umformspule und Umladekondensator. Dies verkleinert die Baugröße und den Bauaufwand der Anlage und verringert die störenden Streuinduktivitäten. Der Verzicht auf den Entladungsschalter und auf eventuelle weitere Schalter in einer Kondensator-Batterie mindert die im Umformstromkreis wirkenden ohmschen und induktiven Widerstände und die damit einhergehende Dämpfung. Bei der erfindungsgemäßen Umformeinrichtung wird statt des Umformstromkreises der Ladestromkreis geschaltet.

Günstig wirken sich ferner die für eine Spulenladung wesentlich niedrigeren Ladezeiten aus. Sie können im Millisekunden-Bereich liegen und sind dadurch ein Mehrfaches kleiner als die beim Stand der Technik erforderlichen Ladezeiten. Dies verkürzt erheblich die Taktzeiten und verbessert die Leistungsfähigkeit und die Wirtschaftlichkeit der beanspruchten elektromagnetischen Umformeinrichtung.

Die beanspruchte elektromagnetische Umformtechnik ist nunmehr auch für bisher kritische Werkstoffe, insbesondere ferromagnetische Werkstoffe, geeignet. Durch die Spulenladung kann eine Vormagnetisierung des Werkstücks durchgeführt werden, wodurch die relative Permeabilität μr verringert wird. Beim Vormagnetisieren kann die magnetische Flussdichte B im Werkstück bis in den Sättigungsbereich erhöht werden, was z.B. für ferromagnetische Stahlbleche die relative Permeabilität μr in den Bereich von "1" bringt. Dies führt andererseits zu einer Vergrößerung der Eindringtiefe δ des Stroms an der Werkstückoberfläche und damit zu einer Verringerung der Dämpfung. Die bisherigen negativen Skin-Effekte können vermieden und die Anfangsbedingungen für den Umformprozess entscheidend verbessert werden. Auch ein ferromagnetisches Werkstück erhält beim Entladen der Umformspule die nötige Beschleunigung und die zu einer Verformung in bester Qualität erforderliche magnetische Kraft.

Durch die Spulenladung ergibt sich ferner der Vorteil, dass bereits zu Beginn des Entladevorgangs ein magnetischer Fluss und eine Durchflutung in der Umformspule vorhanden sind. Die über Induktion und Wirbelströme erzeugte magnetische Umformkraft wirkt, insbesondere bei ferromagnetischen Werkstoffen, dadurch sehr viel schneller als beim Stand der Technik mit der Kondensatoraufladung. Günstig ist ferner, dass bei der beanspruchten elektromagnetischen Umformtechnik wesentlich höhere Ströme als bisher im Werkstück induziert und dementsprechend höhere magnetische Umformkräfte erzielt werden können. Der im Werkstück induzierte Strom kann erheblich größer, z.B. 30% höher, als der in der Umformspule fließende Ladestrom sein. Die Effekte lassen sich durch eine geeignete Wahl der Windungszahl und der Abmessungen, insbesondere der Länge und/oder des Durchmessers der Umformspule, bedarfsgerecht beeinflussen.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung der gleichen Umformspule zum Vormagnetisieren und zum Entlade- oder Stoßmagnetisieren des Werkstücks. Beide Effekte können mit minimalem Aufwand und nur einer Ladestromquelle erreicht werden.

Bei der beanspruchten elektromagnetischen Umformtechnik können die Induktivität L der Umformspule und auch die Kapazität C des Kondensators erhöht werden, ohne dass das die beim Stand der Technik bisher gegebenen nachteiligen Auswirkungen hat. Auch die damit einhergehende Verringerung der Frequenz des Schwingkreises bei der Entladung hat nicht die bisherigen ungünstigen Auswirkungen.

Wenn bei der elektromagnetischen Umformeinrichtung sehr hohe Ladeströme vom Ladestromschalter, insbesondere in der Form eines Halbleiterschalters, geschaltet werden müssen, ergeben sich Auswirkungen für die thermische Belastung und insbesondere die Abschaltfähigkeit des Ladestromschalters. Bei hohen Strömen von z.B. 100 kA kann ein konventioneller Ladestromschalter wegen der begrenzten Abschaltfähigkeit und der thermischen Überdimensionierung sehr teuer werden. Zur Lösung dieses Begleitproblems wird ein Schaltstromkompensator eingesetzt, mit dem die auf den Ladestromschalter unmittelbar vor oder beim Öffnen einwirkende Strombelastung wesentlich gemindert werden kann. Hierdurch können technisch wenig aufwändige und sehr kostengünstige Halbleiterschalter eingesetzt werden, die z.B. für nur 10 kA ausgelegt sind. Vorteilhaft ist hierbei außerdem der Umstand, dass der Halbleiterschalter auf das Öffnungssignal hin selbsttätig schaltet und öffnet, sobald die Strombelastung auf einen für das Halbleiterelement schaltbaren Wert gesunken ist. Der Ladestromschalter kann durch die Beseitigung des Problems mit der Abschaltfähigkeit auf die vom Ladestrom bewirkte thermische Belastung ausgelegt und entsprechend dimensioniert bzw. optimiert werden.

Zur Minderung der Strombelastung kann der Schaltstromkompensator unterschiedlich ausgebildet sein. In den einen Ausführungsformen erzeugt der Schaltstromkompensator auf induktivem oder kapazitivem Wege eine dem Ladestrom entgegengerichtete Gegenspannung und einen Gegenstrom, der nur kurzfristig und nur für den Öffnungsvorgang benötigt wird. Eine weitere Alternative liegt im Einsatz einer Kommutierungsschaltung in Verbindung mit einem Thyristor-Ladestromschalter. Daneben sind weitere Varianten möglich.

In der induktiven Variante enthält der Schaltstromkompensator einen Schaltstromtransformator, der mit dem Umformstromkreis, der Ladestromquelle und dem Ladestromschalter in Reihe geschaltet ist. Der Gegenstrom wird wiederum über einen Schwingkreis des Schaltstromtransformators erzeugt. Um hierbei im Ladestromkreis den Gegenstrom in der benötigen Höhe erzeugen zu können, besitzt der Schaltstromtransformator eine ladestromseitige Hochstromschleife mit geringer Windungszahl und eine mit der Erregerstromseite und einer dortigen zusätzlichen Gleichstromquelle verbundene Hochspannungsspule mit höherer Windungszahl. Hierbei enthält der Trafo vorteilhafterweise einen Magnetkern, insbesondere einen Eisenkern, der sich in ähnlicher Weise wie das Werkstück im Umformstromkreis vormagnetisieren und aufladen lässt. Hierfür genügt eine relativ schwache Gleichstromquelle im Erregerstromkreis. Durch die Aufladung des Trafokerns wird der Arbeitspunkt und der Beginn der Schwingkreisentladung im Trafo auf der Magnetisierungskurve bzw. Trafokennlinie auf einen günstigen Wert verschoben, so dass beim Öffnen des Erregerstromschalters der gewünscht hohe Gegenstrom im Ladestromkreis induziert und erzeugt werden kann. Hierfür ist es günstig, die Vormagnetisierung des Trafokerns vor Beginn der Aufladung der Umformspule zu starten und kurz vor Beginn des Entladevorgangs der Umformspule wieder zu beenden. Der Ladestromschalter und der Erregerstromschalter können hierbei gleichzeitig oder kurz nacheinander das Schaltsignal erhalten.

In der kapazitiven Variante wird ein Kondensator in einem Komdensator-Ladestromkreis von einer Gleichstromquelle geladen und entlädt sich über einen an den Ladestromschalter angeschlossenen Kompensator-Schwingkreis. Diese Variante bietet besonders vielfältige Einstellungs- und Anpassungsmöglichkeiten. Auch die Thyristor-Kommutierungsschaltung hat diesen Vorteil der Verstell- und Anpassungsbreite an verschiedene Anlagenkonfigurationen.

Für die verschiedenen Schaltvorgänge ist es vorteilhaft, wenn die Frequenz des Schaltstromkompensators bzw. Schaltstromtransformators höher als die Frequenz im Schwingkreis des Umformstromkreises ist, wobei diese Schwingkreisfrequenz wiederum größer als die Frequenz der Ladestromquelle ist. Der Arbeitsschwingkreis im Umformstromkreis wird dadurch mit Sicherheit erst zum gewünschten Entladezeitpunkt angestoßen. Der Ladevorgang für die Umformspule führt durch die geringeren Frequenzen bzw. die entsprechend höhere Ladezeit konstante τ nicht zu einer unerwünschten vorzeitigen Auslösung. Trotzdem kann die Umformspule in sehr kurzer Zeit geladen werden. Beim Entladevorgang ist es außerdem vorteilhaft, wenn im Arbeitsschwingkreis der Umformspule und des Umladekondensators zusätzlich ein Kurzschließer mit einer Diodenfunktion oder Sperrfunktion parallel geschaltet ist. Die Diodenfunktion wirkt sich günstig auf die Schwingkreisdämpfung aus und sorgt für ein langsames Abklingen der induzierten Ströme im Werkstück, wobei für die Ströme außerdem nachteilige Nulldurchgänge weitgehend vermieden werden. Die eingesetzte elektrische Energie wird dadurch maximal für die Umformarbeit ausgenutzt.

Durch die schnellen Ladezeiten der Umformspule ist es möglich, mehrere Umformstromkreise und zugehörige Umformwerkzeuge über ein Sammelschienensystem einzeln schaltbar an einer gemeinsamen Ladestromquelle und einem gemeinsamen Schaltstromkompensator zu betreiben. Die Ladezeiten der Umformspule sind wesentlich geringer als die Rüstzeiten zum Beschicken des Umformwerkzeugs, so dass während der Rüstzeit ein oder mehrere andere elektromagnetische Umformprozesse durchgeführt werden können. Dies verringert den apparativen Aufwand und den Platzbedarf. Andererseits werden Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage gegenüber bekannten Anlagen wesentlich verbessert.

Ferner ist es möglich, in einer Anlagenschaltung mehrere Umformstromkreise mit ihren Umformspulen in einer invertierbaren Serienschaltung zu schalten. Die Umformspulen können räumlich getrennt voneinander angeordnet sein und an verschiedenen Stellen elektromagnetische Umformprozesses an einem größeren Werkstück durchführen. Sie werden gemeinsam geladen. Zum vorzugsweise gleichzeitigen Entladen können die Umformspulen und die Umformstromkreise invertiert verschaltet werden, wodurch die Wiederkehrspannung im Ladestromkreis und insbesondere am Ladestromschalter wesentlich gesenkt werden kann.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:
1: Ein Schaltschema einer elektromagnetischen Umformeinrichtung,
2 bis 5: verschiedene Diagramme für den Verlauf von Strom und Spannung zu verschiedenen Zeitpunkten und in verschiedenen Komponenten der elektromagnetischen Umformeinrichtung,
6 und 7: Diagramme über den Verlauf der elektromagnetischen Durchflutung in der Umformspule und in der Wirbelstromschleife im Werkstück in verschiedenen Schaltzuständen,
8 und 9: eine schematische Darstellung des mechanischen Teils der elektromagnetischen Umformeinrichtung mit einem Umformwerkzeug, einem Werkstück und einem Spulenhalter,
10: eine Schemadarstellung einer Umformanlage mit mehreren Umformstromkreisen und Umformwerkzeugen in Verbindung mit einer gemeinsamen Ladestromquelle und einem gemeinsamen Schaltstromkompensator,
11: einen Schaltplan einer konventionellen elektromagnetischen Umformeinrichtung mit Kondensatorladung,
12 und 13: weitere Varianten des Schaltstromkompensators und
14 und 15: eine Anlagenschaltung mit mehreren Umform-Teilspulen in einer invertierbaren Serienschaltung beim Ladevorgang und bei der Stoßentladung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung (22) zum vorzugsweise berührungslosen elektromagnetischen Umformen von Werkstücken (23). Die Werkstücke (23) können von beliebiger Art und Ausbildung sein. Sie bestehen aus elektrisch leitenden und ggf. auch mehr oder weniger magnetisch leitenden Materialien. Dies können insbesondere Metallbleche aus Aluminium, Kupfer, Stahl oder dergleichen sein.
Die Werkstücke (23) können ferner von beliebiger Art sein. Vorzugsweise handelt es sich um Bauteile von Fahrzeugkarosserien. Dies sind insbesondere dünnwandige Karosseriebleche.
Unter dem Begriff des Umformens wird im Sinne der Erfindung eine gestaltende Formgebung der Bauteile (23), z.B. das in 8 und 9 dargestellte plastische Verformen verstanden. Zum Umformen gehören darüber hinaus Fügeprozesse, wobei mehrere Werkstücke miteinander unter elektromagnetischer Krafteinwirkung und ggf. auch mit einer Verformung miteinander kraft-, form- oder stoffschlüssig verbunden werden. Das Umformen kann z.B. für eine Klebeverbindung mit einer Klebstoffaktivierung unter gegenseitigem elektromagnetischem Andrücken der Werkstücke benutzt werden. Zum Umformen zählen auch Trennprozesse, bei denen die Bauteile (23) eine Umformung ähnlich wie beim Stanzen oder dergleichen erhalten. Mischformen, wie z.B. das Trennfügen oder Durchsetzfügen sind ebenfalls umfasst. Zum Umformen werden ferner auch alle anderen Prozesse gezählt, bei denen ein oder mehrere Bauteile (23) mit elektromagnetischer Kraft bewegt werden.
Beim elektromagnetischen Umformen werden mittels einer Umformspule (7) Wirbelströme in Form einer Wirbelstromschleife (6) in dem oder den induktiv gekoppelten und beaufschlagten Werkstück(en) (23) induziert, wobei aus der Wechselwirkung der Wirbelströme mit dem Magnetfeld der Umformspule (7) eine auf das oder die Werkstück(e) (23) wirkende elektromagnetische Kraft F entsteht, welche das Werkstück (23) von der Umformspule (7) wegdrückt oder zur Spule hinzieht und dabei die Umformarbeit leistet.
Die elektromagnetische Umformeinrichtung (22) umfasst mindestens eine Ladestromquelle (1) mit einem Ladestromkreis (27), an den mindestens ein Umformstromkreis (2) und ein Ladestromschalter (5) in Reihe angeschaltet sind. Gegebenenfalls ist ebenfalls in Reihe noch ein nachfolgend in verschiedenen Varianten dargestellter und näher erläuterter Schaltstromkompensator (3) geschaltet.
Die Ladestromquelle (1) liefert einen Gleichstrom und kann in beliebig geeigneter Weise ausgebildet sein. Sie beinhaltet gemäß 1 z.B. eine Gleichstromquelle (4) im Ladestromkreis (27). Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine rückwärts sperrende Gleichstromquelle (4). Parallel zur Gleichstromquelle (4) kann eine RC-Kombination (21) aus einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator geschaltet sein. Die Ladestromquelle (1) ist in nicht dargestellter Weise an ein Stromversorgungsnetz angeschlossen und erzeugt durch Gleichrichtung und ggf. durch Transformation einen Gleichstrom-Ladestrom, mit dem der Umformstromkreis (2) und der Schaltstromkompensator (3) beaufschlagt werden. Die Ladestromquelle (1) ist für hohe Ströme in Verbindung mit niedrigen Spannungen ausgelegt. Die Spannungen bewegen sich vorzugsweise im Bereich unterhalb von 1 kV und liegen vorzugsweise im Größenbereich von Netzspannungen. Insbesondere liegen die Spannungen bei ca. 300 bis 500 V. Die erzeugten Ladeströme sind hoch und liegen vorzugsweise im Bereich von mehr als 10 kA. Für den industriellen Einsatz der elektromagnetischen Umformeinrichtung (22) wird z.B. mit Ladeströmen von ca. 100 kA gearbeitet.
Der in 1 dargestellte Umformstromkreis (2) bewirkt die elektromagnetische Umformung und beinhaltet in einer Parallelschaltung mindestens eine Umformspule (7) und mindestens einen Kondensator (8), der als Umladekondensator fungiert. Die Induktivität (7) und die Kapazität (8) sind in einem geschlossenen Umformstromkreis (2) geschaltet, wobei sie vorzugsweise unter Verzicht auf einen Entladungsschalter in einer ständigen Parallelschaltung fest verdrahtet und verschaltet sind. Der Umformstromkreis (2) bildet einen Arbeitsschwingkreis (33).
Parallel zur Induktivität (7) und Kapazität (8) kann ein Kurzschließer (9) geschaltet sein. Dies kann ein Halbleiterschalter mit Diodeneigenschaften und einseitiger Sperrwirkung für den fließenden Strom sein. Die Funktion und Wirkung wird nachfolgend im einzelnen beschrieben.
Der Ladestromschalter (5) ist außerhalb des Umformstromkreises (2) und Arbeitsschwingkreises (33) im Ladestromkreis (27) angeordnet und ist vorzugsweise in der in 1 gezeigten Weise hinter den Schaltstromkompensator (3) geschaltet. Der Ladestromschalter (5) ist vorzugsweise ein Halbleiterschalter, der zumindest auf die vom Ladestrom hervorgerufene thermische Belastung ausgelegt und dimensioniert ist. Die Ladeströme können je nach Einsatzfall und Umformarbeit variieren. Sofern Sie im Bereich von 10 kA liegen, kann der Ladestromschalter (5) in seiner Abschaltfähigkeit hierauf ausgelegt sein. Falls höhere Ladeströme, z.B. 100 kA, zu schalten sind, kann der Ladestromschalter (5) dank des Schaltstromkompensators (3) trotzdem auf eine geringere Abschaltfähigkeit von z.B. 10 kA dimensioniert sein. Hierauf wird nachfolgend noch im einzelnen eingegangen.
Zum elektromagnetischen Umformen wird in einem Aufladevorgang im Umformstromkreis (2) elektrische Energie gespeichert. Beim anschließenden stoßartigen Entladevorgang werden ein Hochenergieimpuls und eine entsprechende auf das Werkstück (23) einwirkende Elektromagnetkraft F erzeugt. Bei der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Umformtechnik wird beim Aufladen die elektrische Energie bereits in der Induktivität bzw. in der Umformspule (7) des Umformstromkreises (2) gespeichert. Die bei Gleichstrom gespeicherte induktive bzw. elektromagnetische Energie berechnet sich aus dem Produkt des Quadrats des Ladestroms I mit der halben Induktivität L.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Umformspule (7) in den Ladestromkreis (27) geschaltet und wird als Energiespeicher mit Gleichstrom elektromagnetisch aufgeladen, welcher von der Ladestromquelle (1) über den Ladestromschalter (5) in den Ladestromkreis (27) eingespeist wird. Beim Aufladevorgang kann der Kondensator (8) geringfügig mitgeladen werden.
11 zeigt hierzu im Vergleich einen konventionellen Umformstromkreis (2') nach dem Stand der Technik, bei dem der Kondensator (8') die zum elektromagnetischen Umformen benötigte elektrische Energie speichert und aufgeladen wird. Die bei Gleichstrom gespeicherte kapazitive Energie hängt wesentlich von der Spannung ab und berechnet sich aus dem Produkt des Quadrats der Ladespannung U und der halben Kapazität des Kondensators (8'). Beim Stand der Technik ist nur der Kondensator (8') mit einem ohmschen Ladewiderstand in den Ladestromkreis (27') der Lade-Gleichstromquelle (1') geschaltet. Die Umformspule (7') besitzt eine niedrige Windungszahl oder -länge von z.B. drei Windungen. Sie ist durch einen geöffneten Entladestromschalter (35) im Umformstromkreis (2') vom Ladestrom abgekoppelt. Wenn der Aufladevorgang beendet ist, wird beim Stand der Technik der Entladestromschalter (35) geschlossen und damit zugleich auch der Umformstromkreis (2') und der Schwingkreis (33') geschlossen und hergestellt, so dass der Kondensator (8') sich über die Umformspule (7') entladen kann.
Beim erfindungsgemäßen Umformstromkreis (2) entlädt sich im Schwingkreis (33) die in der geladenen Umformspule (7) gespeicherte elektromagnetische Energie impulsartig auf den Umladekondensator (8), sobald der Ladestromschalter (5) geöffnet wird, wobei im Schwingkreis (33) der Scheitelwert des Stroms durch den Momentanwert des Ladestroms beim Öffnen des Ladestromschalters (5) und ansonsten überwiegend durch die Induktivität L und den ohmschen Widerstand der Umformspule (7) und der Wirbelstromschleife (6) bestimmt wird.
Beim Aufladen der Umformspule (7) wird das Werkstück (23) durch den in der Umformspule (7) fließenden Ladestrom magnetisch durchflutet und ggf. vormagnetisiert. Bei geeigneten Werkstoffen, insbesondere bei ferromagnetischen Werkstoffen, des Werkstücks (23), kann hierdurch die relative Permeabilität μr beeinflusst und verändert werden. Hierbei wird die magnetische Induktion B im Werkstück entlang der Magnetisierungskurve erhöht und vorzugsweise bis in den Sättigungsbereich gesteigert. Hierfür eignen sich besonders weichmagnetische Werkstoffe. Der Arbeitspunkt und der Beginn des Stoßvorgangs oder Entladevorgangs wird hierdurch entlang der Magnetisierungskurve zu einer hohen magnetischen Flussdichte oder magnetischen Induktion B verschoben. Zugleich kann die relative Permeabilität μr in den Bereich von "1" verschoben werden. In diesem Sättigungsbereich steigt die magnetische Induktion B trotz erhöhter magnetischer Feldstärke H nicht weiter. Ferromagnetische Werkstoffe kommen mit ihrer relativen Permeabilität μr dadurch in den Bereich der Werte von nicht oder nur schwach magnetischen Werkstoffen, wie Kupfer, Aluminium etc.
Durch die Vormagnetisierung wird außerdem die Eindringtiefe δ des induzierten Stromes an der Werkstückoberfläche erhöht. Sie ist mathematisch in der Wurzel umgekehrt proportional zur relativen Permeabilität μr und steigt mit deren Verringerung. Durch die Vormagnetisierung wird die Eindringtiefe δ bei ferromagnetischen Werkstoffen wesentlich vergrößert. Damit geht eine entsprechende Verringerung der Dämpfung einher.
Bei Beginn des Entladevorgangs oder Stoßvorgangs besteht bei Impulsbeginn bereits eine elektromagnetische Durchflutung Θ in der Umformspule (7). Beim erfindungsgemäßen Umformstromkreis (2) fließt bei der stoßweisen Entladung sofort ein Strom durch die Umformspule (7) und durch das ggf. vormagnetisierte Werkstück (23). Im Gegensatz dazu muss bei einer konventionellen Kondensatorladung gemäß 11 der Strom erst durch die Leitung in die ungeladene Umformspule (7') fließen, wodurch der im Werkstück induzierte Strom von "0" ausgehend erst allmählich steigt. Bei Werkstoffen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ist der induzierte Stromanstieg ausreichend schnell, um einen genügenden Kraftanstieg und die erforderliche Beschleunigung auf das Werkstück (23) auszuüben. Bei Werkstoffen mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit, z.B. ferromagnetischen Werkstoffen und insbesondere Stahlblechen, reicht mit der konventionellen Umformtechnik mit Kondensatorladung die erzielbare Beschleunigung bzw. Kraft nicht aus. Hier hilft die erfindungsgemäße elektromagnetische Umformtechnik der vorbeschriebenen Art mit der Spulenladung und der Vormagnetisierung der Werkstücke (23) weiter. Die Anfangsbedingungen für den Umformprozess werden mit der erfindungsgemäßen Technik entscheidend verbessert.
Der Entladevorgang wird ausgelöst, sobald der Ladestromschalter (5) geöffnet wird. Dies wird mittels einer geeigneten Steuerung bewerkstelligt, die der Übersicht halber nicht dargestellt ist. Die Steuerung ist auch mit der Ladestromquelle (1) und mit dem nachfolgend beschriebenen Schaltstromkompensator (3) verbunden.
6 verdeutlicht den Verlauf der elektromagnetischen Durchflutungen Θ1 der Umformspule (7) und Θ2 der Wirbelstromschleife (6) im Werkstück (23) bei offenem Kurzschließer (9). t4 gibt dabei den Zeitpunkt an, in dem der Ladestromschalter (5) öffnet. Im Diagramm sind die Ströme bzw. die daran gekoppelten elektromagnetischen Durchflutungen über der Zeit aufgetragen. Die elektromagnetische Durchflutung berechnet sich als Produkt aus der Windungszahl mit dem durchfließenden Entladestrom oder induzierten Strom.
Die Wirbelstromschleife (6) im Werkstück (23) hat nur eine Windung. Die Umformspule (7) hat vorzugsweise mehrere Windungen, z.B. 14 Windungen. Die Windungszahl ist in der Regel größer als bei der Umformspule (7') nach dem Stand der Technik.
Die Umformspule (7) kann aus ein oder mehreren Teilen bestehen. Es kann sich wahlweise um eine Flachspule der in 8 und 9 gezeigten Art oder um eine kurze oder längere Ring- oder Zylinderspule handeln. Eine Zylinder- oder Ringspule kann z.B. ein Werkstück (23) zumindest segmentweise oder ggf. vollständig umschließen und zu Entnahmezwecken teilbar sein. Die Umformspule (7) kann ferner ein oder mehrere Feldkonzentratoren (nicht dargestellt) aufweisen. Eine Ring- oder Zylinderspule kann z.B. in der in der DD 146 403 beschriebenen Art oder in beliebiger anderer Weise ausgestaltet sein.
Die elektromagnetische Umformeinrichtung (22) beinhaltet außer den vorgenannten elektrischen Teilen auch eine mit dem oder den Werkstück(en) (23) zusammenwirkende Umformmechanik (36), die unterschiedlich ausgebildet sein kann. Eine bespielhafte Ausführungsform der Umformmechanik (36) ist in 8 und 9 schematisch und vereinfacht dargestellt. Eine mit mehreren Windungen versehene Flachspule (7) ist in einem Spulenhalter (25) angeordnet. Das Werkstück (23) ruht auf einem geeigneten Werkstückhalter (26), an dem auch ein für den jeweiligen Umformprozess geeignetes Umformwerkzeug (24), z.B. das gezeigte Gesenk, angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Umformwerkzeug (24) auch eine Stanz- oder Schneidmatrize, eine Fügewerkzeug oder dgl. aufweisen.
Sobald gemäß 6 zum Zeitpunkt t4 der Ladestromschalter (5) öffnet und der Ladestromkreis (27) unterbrochen ist, schwingen der Entladestrom I1 und die elektromagnetische Durchflutung Θ1 im Arbeitsschwingkreis (33) in einer allmählich abklingenden Sinuskurve mit Null-Durchgängen. Sie starten dabei dank der Spulenladung von einem erhöhten positiven Strom- und Durchflutungswert. Der im Werkstück (23) induzierte Strom I2 und die zugehörige elektromagnetische Durchflutung Θ2 steigen dank der Vormagnetisierung sehr schnell an und schwingen in der Variante von 6 mit einer gegenläufigen und ebenfalls abklingen Sinusschwingung, wobei sich diese durchweg im positiven Bereich oberhalb der Null-Linie bewegt. Die elektromagnetische Durchflutung Θ2 bzw. die sog. Ampere-Windungszahl ist im Werkstück (23) betragsmäßig höher als in der Umformspule (7), wobei die Differenz z.B. je nach Anlagenauslegung zwischen 30 und 100% liegen kann. Die Durchflutung Θ2 im Werkstück (23) pendelt um die durch den Ladestrom hervorgerufene Durchflutung des Magnetkreises vorzugsweise ohne Null-Durchgänge. 6 verdeutlicht diesen Sachverhalt.
Die Spulenaufladung und die Vormagnetisierung des Werkstücks (23) haben in zweierlei Hinsicht positive Auswirkungen auf die Steigerung der magnetischen Umformkraft F, die sich als Produkt des Entladestroms I1 mit dem induzierten Strom I2 und einem konstanten Faktor berechnet. Durch die Spulenaufladung wird einerseits der zu Impulsbeginn in der Umformspule (7) fließende Entladestrom betragsmäßig auf einen wesentlich über "0" liegenden Wert erhöht. Andererseits bewirkt die Vormagnetisierung dank der Verringerung der relativen Permeabilität μr bei ferromagnetischen Materialien und einer entsprechenden Steigerung der Eindringtiefe δ einen steilen Anstieg und eine höhere Amplitude des induzierten Stroms I2.
Das geschilderte Verhalten kann durch ein Schließen des Kurzschließers (9) im Umformstromkreis (2) noch weiter verbessert werden. Wie 7 verdeutlicht, schließt der Kurzschließer (9) zu einem Zeitpunkt t5 nach Öffnen des Ladestromschalters (5) zum Zeitpunkt t4. Dies bewirkt die gezeigte Glättung der vorherigen Sinuskurve, wobei die Ströme I1,2 und die magnetischen Durchflutungen Θ1,2 den gezeigten im wesentlichen linearen und nur schwach fallenden Verlauf haben. Die Durchflutung Θ im Werkstück (23) bleibt wiederum im wesentlichen auf einer Seite, z.B. oberhalb der Null-Linie.
Im Bereich zwischen t4 und t5 sind die Durchflutungen Θ1,2 und die Ströme I1,2 zeitweise gleich gerichtet. Dies bewirkt eine zeitweise zur Umformspule (7) hin gerichtete Magnetkraft F. Sobald der Strom I1 bzw. die Durchflutung Θ1 die Null-Linie durchschreiten, kehrt sich die Wirkrichtung der Magnetkraft F um.
Der im Ladestromkreis (27) und durch den Ladestromschalter (5) fließende Ladestrom hat ein großes Beharrungsvermögen, was u.a. durch die Trägheit der Umformspule (7) begründet ist. Bei höheren Ladeströmen von z.B. 100 kA können konventionelle Halbleiter-Ladestromschalter (5) den Ladestrom nicht ausschalten. Zur Behebung dieses Problems kommt der Schaltstromkompensator (3) zum Einsatz. Dieser Schaltstromkompensator (3) hat eine eigenständige erfinderische Bedeutung und lässt sich mit Erfolg nicht nur bei der gezeigten elektromagnetischen Umformeinrichtung (22), sondern auch für alle anderen Fälle einsetzen, in denen ein hoher Gleichstrom geschaltet werden muss, wobei konventionelle Schalter überfordert sind.
Der Schaltstromkompensator (3) mindert vor oder beim Öffnen zumindest temporär die Strombelastung des Ladestromschalters (5) oder eines anderen Stromschalters. Dies ist in verschiedener Weise möglich. In 1, 12 und 13 sind verschiedene Ausführungsformen des Schaltstromkompensators (3) dargestellt.
1 zeigt eine erste Variante mit einer induktiven Ausführungsform des Schaltstromkompensators (3). Der in Reihe geschaltete Schaltstromkompensator (3) erzeugt hierbei im Ladestromkreis (27) einen dem Ladestrom entgegengerichteten Gegenstrom. In der Summe verringert sich dadurch der am Stromschalter (5) wirkende Strom und erlaubt ein Ausführen der Schaltfunktion.
Der Schaltstromkompensator (3) besitzt einen Schaltstromtransformator (28), der vorzugsweise mit einem Magnetkern (11) ausgerüstet ist. Der Magnetkern (11) ist vorzugsweise ein Ringkern und besteht aus einem geeigneten ferromagnetischen Material. Vorzugsweise hat er eine große Kernfläche zur Erzeugung eines hohen magnetischen Flusses. Dies ermöglicht eine entsprechend hohe Vormagnetisierung und Aufladung des Trafokerns, was wegen des ohmschen Durchlasswiderstandes Rs des Ladestromschalters (5) oder Hauptschalters vorteilhaft ist. Dieser Schalter (5) ist z.B. als IGBT- oder IGCT-Schalteranordnung mit Gate-Ansteuerung ausgebildet.
Der Schaltstromtransformator (28) hat auf der einen Seite eine Hochstromschleife (10) mit ein oder wenigen Windungen, die auf der Ladestromseite des Kerns (11) angeordnet und an den Ladestromkreis (27) angeschlossen ist. Parallel zur Hochstromschleife (10) ist ein Kompensationsstromkreis (30) mit einer RC-Kombination (17) geschaltet, welche den Verlauf von Strom und Spannung i2,u2 im Ladestromschalter (5) vor dessen Öffnen bestimmt. 1 zeigt diese Ausführung.
Auf der anderen Trafoseite ist eine Hochspannungsspule (12) mit wesentlich mehr Windungen als die Hochstromschleife (10) angeordnet. Sie befindet sich auf der Erregerstromkeete und ist in einen Erregerstromkreis (29) integriert. In den Erregerstromkreis (29) ist eine rückwärts sperrende Gleichstromquelle (15) mit einer parallelen RC-Kombination (20) geschaltet. Diese begrenzt eventuelle Überspannungen über der Gleichstromquelle (15). Die RC-Kombination (21) in der ähnlich ausgebildeten Stromquelle (1) hat eine entsprechende Funktion. Über die Gleichstromquelle (15) im Erregerstromkreis (29) wird der Trafokern (11) magnetisiert und aufgeladen. Hierfür genügt ein begrenzter Ladestrom, der z.B. im Bereich von 50 A oder darunter liegt. Auch die Ladespannung kann niedrig sein und z.B. im Bereich von ca. 40 V liegen.
Im Erregerstromkreis (29) befinden sich ferner ein mit der Gleichstromquelle (15) in Reihe geschalteter Trennwiderstand (16) und eine anti-parallel geschaltete Diode (14). Außerdem ist ein Erregerstromschalter (13) im Erregerstromkreis (29) vorhanden, der die Stromquelle (15) an die Hochspannungsspule (12) anschaltet und abschaltet. Parallel zum Erregerstromschalter (13) ist eine weitere RC-Kombination (19) geschaltet, welche den Verlauf von Strom und Spannung im Erregerstromkreis (13) nach einem Öffnen des Erregerstromschalters (13) zum Zeitpunkt t3 bestimmt.
Parallel zum Ladestromschalter (5) ist in den Ladestromkreis (27) eine weitere RC-Kombination (18) geschaltet, welche den Verlauf von Strom i2 und Spannung u2 in der Hochstromschleife (10) nach dem Öffnen des Ladestromschalters (5) zum Zeitpunkt t4 bestimmt.
Der Erregerstromkreis (29) bildet nach Öffnen des Erregerstromschalters (13) ebenfalls einen Schwingkreis oder Erregerschwingkreis (34) im Schaltstromtransformator (28). Das Produkt aus Induktivität L und Kapazität C im Erregerschwingkreis (34) ist allerdings wesentlicht kleiner als das Produkt L·C im Arbeitsschwingkreis (33). Dementsprechend höher ist die Frequenz im Erregerschwingkreis (34) gegenüber der Frequenz im Arbeitsschwingkreis (33).
Durch die Vormagnetisierung des Trafokerns (11) wird der Arbeitspunkt beim Anstoßen des Erregerschwingkreis (34) entlang der Trafokennlinie verschoben. Die Vormagnetisierung und Aufladung des Trafokerns (11) beginnt mit dem Schließen des Erregerstromschalters (13) zu einem Zeitpunkt t1 vor Beginn der Aufladung der Umformspule (7). Zu diesem Zeitpunkt ist der Ladestromschalter (5) geöffnet und der Ladestromkreis (27) stromlos geschaltet. Sobald die gewünschte Aufladung des Trafokerns (11) erreicht ist, schließt der Ladestromschalter (5) zu einem Zeitpunkt t2, wobei der Erregerstromschalter (13) geschlossen bleibt. Nun beginnt die Aufladung der Umformspule (7). Sobald die gewünschte Aufladung erreicht ist, öffnet in der bevorzugten Ausführungsform zuerst der Erregerstromschalter (13) zu einem Zeitpunkt t3, wodurch der Erregerschwingkreis (34) angestoßen wird. Zugleich oder kurze Zeit später wird der Ladestromschalter (5) von der Steuerung angesteuert, wobei der Schalter (5) aber noch nicht wirksam öffnet und den Ladestrom noch nicht unterbricht. Die durch den Schaltstromkompensator (3) und dessen Stromunterdrückungskreis erzeugte Gegenspannung und der im Kompensationsstromkreis (30) angetriebene Gegenstrom senken die Strombelastung am Ladestromschalter (5), bis die Strombelastung einen für dessen Schaltfähigkeit ausreichend niedrigen Wert erreicht. In diesem Zeitpunkt t4 öffnet der Ladestromschalter (5) und unterbricht den Ladestromkreis (27).
Die Diagramme in 2 bis 5 geben den Verlauf der Spannung u1 und des Stroms i1 in der Hochspannungsspule (12) sowie den Verlauf der Spannung u2 und des Stroms i2 in der Hochstromschleife (10) zu den verschiedenen Schaltzeitpunkten wider. Hierbei sind jeweils Strom und Spannung über der Zeit aufgetragen.
2 verdeutlicht den Strom- und Spannungsverlauf i1,u1 in der Hochspannungsspule (12) nach Öffnen des Erregerstromschalters (13) zum Zeitpunkt t3 und bei noch geschlossenem Ladestromschalter (5).
3 verdeutlicht die für den gleichen Schaltzustand sich ergebenden Verläufe von Strom und Spannung i2,u2 in der Hochstromschleife (10) und im Ladestromschalter (5).
Der Strom i2 in der Hochstromschleife (10) und im Ladestromschalter (5) sinkt nach dem Zeitpunkt t3 ab auf einen niedrigen Wert, der ein Schalten des Ladestromschalters (5) ermöglicht. τ2 gibt hierbei den größten möglichen Zeitwert für den Zeitschaltpunkt t4 zum Öffnen des Ladestromschalters (5) hinsichtlich dieses Stroms i2 an. Ab diesem Zeitpunkt τ2 steigt der Strom i2 wieder auf einen nicht mehr schaltfähigen Wert an. Im Diagramm von 2 ist mit τ1 der größte optimale Wert für den Zeitschaltpunkt t4 hinsichtlich der Spannung u1 in der Hochspannungsspule (12) angegeben. Dies ist der Zeitpunkt, in dem die Spannung u1 nach Durchlaufen einer ersten Stufe ggf. wieder ansteigt.
Das Diagramm von 4 zeigt den Verlauf von Strom i1 und Spannung u1 der Hochspannungsspule (12) nach Öffnen des Erregerstromschalters (13) und nachfolgendem Öffnung des Ladestromschalters (5) zum Zeitpunkt t4.
5 verdeutlicht im Diagramm die zugehörigen Verläufe von Strom i2 und Spannung u2 der Hochstromschleife (10) für den gleichen Schaltzustand. An der Hochspannungsspule (12) klingt die Spannung u1 nach der Schalteröffnung zum Zeitpunkt t4 in einer stark gedämpften Schwingung ab.
Wie 2 im Vergleich verdeutlicht, liegt dieser Schaltpunkt t4 vor dem optimalen Zeitwert τ1. Gemäß 4 fällt der Strom i1 in der Hochspannungsspule (12) vor dem Zeitpunkt t4 auf "0" ab und bleibt auf diesem Wert.
Auf der Ladestromseite klingt gemäß 5 nach dem physikalischen Öffnen des Ladestromschalters (5) die Spannung u2 in der Hochstromschleife (10) ebenfalls in einer Schwingung mit kleiner Amplitude schnell ab. Der Strom i2 im nunmehr geöffneten Ladestromkreis (27) bleibt bei "0". Auch hier verdeutlicht 3 die in der Praxis sich einstellende faktische Lage des Schaltzeitpunktes t4 für den Ladestromschalter (5) rechtzeitig vor dem größten möglichen Wert τ2.
12 zeigt in Variation zu 1 einen Schaltstromkompensator (3) in einer kapazitiven Ausführungsform. Der an den Ladestromkreis (27) angeschlossene Kompensations-Stromkreis (48) besteht aus einer zuschaltbaren (50) Kompensations-Spannungsquelle (41) für Gleichstrom, einem Kompensations-Kondensator (44), einem Kompensatorschalter (45), einem Dämpfungswiderstand (46), einer Kompensations-Induktivität (47) und dem Ladestromschalter (5). Mit der Kompensations-Spannungsquelle (41) sind ein Schalter (50), ein Ladewiderstand (42) und eine Ladedrossel (43) in Reihe geschaltet.
Der Kompensations-Kondensator (44) wird in der gezeigten Schaltstellung bei geöffnetem Kompensatorschalter (45) und geschlossenem Schalter (50) in einem Kompensations-Ladestromkreis (51) von der Kompensations-Spannungsquelle (41) über den Ladewiderstand (42) und die Ladedrossel (43) aufgeladen. Beim Schließen des Kompensatorschalters (45) entlädt sich der Kompensations-Kondensator (44) über den Dämpfungswiderstand (46) und die Kompensations-Induktivität (47) sowie den geschlossenen Ladestromschalter (5) in einem hierdurch gebildeten und geschlossenen Kompensations-Schwingkreis (49).
Der dadurch hervorgerufene, impulsförmige Entladungsstrom ist im Ladestromschalter (5) mit seiner ersten Amplitude dem Ladestrom entgegen gerichtet, so dass der im Ladestromschalter (5) fließende Gesamtstrom vorübergehend bis auf Null und gegebenenfalls auch darunter abgesenkt wird. Maß und Dauer der Absenkung werden von der Höhe der Ladespannung des Kompensations-Kondensators (44) im Moment des Schließens des Kompensatorschalters (45) sowie den elektrischen Parametern des Kompensations-Kondensators (44), des Dämpfungswiderstands (46) und der Kompensations-Induktivität (47) bestimmt.
Die Kompensations-Spannungsquelle (41) ist in dieser Ausführungsform als Leistungs-Gleichstromquelle ausgelegt. Sie arbeitet über einen entsprechenden Gleichrichter vorzugsweise ebenfalls im Niederspannungsbereich bis ca. 1 kV. Sie erzeugt allerdings im Vergleich zur Gleichstromquelle (15) im Erregerstromkreis (29) von 1 höhere Ströme. Die Stromstärke richtet sich auch nach der vom Anlagentakt bestimmten Ladezeit zum Aufladen des Kompensations-Kondensators (44) und ist bei bei kurzen Ladezeiten entsprechend hoch.
In 13 ist eine dritte Variante des Schaltstromkompensators (3) in Form einer Kommutierungsschaltung (52) in Verbindung mit einem abgebrochen dargestellten Ladestromkreis (27) dargestellt. Der Ladestromschalter (5) ist als Thyristorschalter ausgebildet. In einer Kommutierungsschaltung (52) sind ein aufgeladener Kondensator (54) und ein Löschthyristor (53) untereinander in Reihe und parallel zum Ladestromschalter (5) geschaltet. Bei Betrieb an der Lade-Gleichspannung im Ladestromkreis (27) kann der Ladestromschalter (5) mit der Kommutierungsschaltung (52) gelöscht werden. Im Ladebetrieb der Umformspule (7) (nicht dargestellt) leitet der Haupttransistor und Ladestromschalter (5), während der Löschthyristor (53) sperrt. Beim Zünden des Löschthyristors (53) wird die am Ladestromschalter (5) anliegende Spannung kurzzeitig negativ und der Hauptthyristor bzw. Ladestromschalter (5) wird vorübergehend gesperrt. Der volle Ladestrom fließt jetzt durch den Löschthyristor (53) und den Kondensator (54), welcher schnell aufgeladen wird. Die Kapazität des Kondensators (54) wird so groß gewählt, dass die am Ladestromschalter (5) vorübergehend wirksame Spannung erst nach Ablauf der Freiwerdezeit des Ladestrom- Thyristorschalters (5) über 0 V ansteigt. Der Löschthyristor (53) erlischt durch Unterschreiten des Haltestroms nach vollständiger Aufladung des Kondensators (54). Der Löschthyristor (53) und der Kondensator (54) müssen periodisch kurzzeitig den vollen Ladestrom aushalten.
Außer der dargestellten Kommutierungsschaltung (52) sind auch andere Schaltungen möglich, mit denen der Ladestrom kurzfristig umgelenkt wird, um den dadurch entlasteten Ladestromschalter (5) das Öffnen zu ermöglichen. Prinzipiell ist auch ein kurzfristiges Kurzschließen im Ladestromkreis (27) zur Entlastung des Ladestromschalters (5) möglich.
10 verdeutlicht eine Variante der elektromagnetischen Umformeinrichtung (22) in einer ersten Anlagenschaltung. Hierbei sind mehrere Umformstromkreise (2) nebst zugehörigen Umformwerkzeugen (24) über ein System von Sammelschienen (31) und Abzweigen (32) parallel zu einer gemeinsamen Ladestromquelle (1) und zu einem gemeinsamen Schaltstromkompensator (3) geschaltet. Die Abzweige (32) können jeweils einzeln und stromlos durch Zuschalter (37) ferngesteuert geschaltet werden. In 10 ist z.B. der untere Abzweig (32) mit einem Umformstromkreis (2) geschaltet und bewirkt einen Umformprozess. Bei den anderen Umformwerkzeugen (24) können in dieser Zeit Rüstarbeiten, z.B. Be- und Entladevorgänge von Werkstücken (23) stattfinden.
14 und 15 zeigen eine weitere Anlagenschaltung, bei der mehrere Umformstromkreise (2) mit ihren Umformspulen (7) in einer invertierbaren Serienschaltung (40) verschaltet sind. Z.B. sind vier Umformstromkreise (2) mit einer gemeinsamen Ladestromquelle (1) nebst Ladestromschalter (5) sowie ggf. einem Schaltstromkompensator (3) verbunden, welche in den Zeichnungen der Übersicht halber nicht dargestellt und nur durch einen Pfeil angedeutet sind.
Eine solche elektromagnetische Umformeinrichtung (22) kommt z.B. zur Bearbeitung größerer Werkstücke (23) zum Einsatz. Die verschiedenen Umformstromkreise (2) und deren Umformspulen (7) sind in beliebig wählbarer Position gegenüber einem z.B. gemeinsamen Werkstück (23) angeordnet und wirken auf dieses an unterschiedlichen Stellen ein. Eine solche elektromagnetische Umformeinrichtung (22) kann z.B. Bestandteil einer Pressenanlage sein und dabei in ein Presswerkzeug, z.B. ein Tiefzieh-Werkzeug, integriert sein. Die Umformspulen (7) können dadurch an verschiedenen Werkstückbereichen zusätzliche Umformungsarbeit leisten und z.B. Werkstückbereiche nachdrucken, die sich allein mit dem Presswerkzeug nicht in der gewünschten Weise und der Qualität verformen lassen.
Die Umformstromkreise (2) und die Umformspulen (7) können in gleicher Weise oder in unterschiedlicher Weise ausgebildet und ausgelegt sein. Dies richtet sich nach den jeweiligen Umform- und Prozesserfordernissen. In der gezeigten Ausführungsform sind sie alle gleich ausgestaltet. Durch die invertierbare Serienschaltung (40) lässt sich die gegenseitige Verschaltung der Umformstromkreise (2) und ihrer Umformspulen (7) für den Ladevorgang und den anschließenden stoßartigen Entladevorgang verändern. Hierfür sind verschiedene Ladeschalter (38) und Koppelschalter (39) vorhanden, die abwechselnd betätigt werden und die jeweils paarweise zu einem Umschalter verbunden sein können.
14 zeigt die erste Schaltstellung der Serienschaltung (40), in der die Spulen (7) in Reihe geschaltet sind und dabei vorzugsweise in gleicher Richtung vom Ladestrom durchflossen werden. Hierbei sind die Ladeschalter (38) in den Verbindungsleitungen geschlossen und die Koppelschalter (39) geöffnet. Für den Entladevorgang wird nach Öffnen des Ladestromschalters (5) die Serienschaltung (40) durch Öffnen der dann stromlosen Ladeschalter (38) und nachfolgendes Schließen der Koppelschalter (39) invertiert. Die gleichzeitig und in gleicher Richtung schwingenden Umformstromkreise (2) bzw. Arbeitsschwingkreise (33) werden hierdurch gegenläufig über die Koppelschalter (39) und deren Leitungsstränge miteinander verbunden. Durch die invertierte Serienschaltung (40) heben sich die jeweils entgegen gerichteten Spannungen benachbarter Umformstromkreise (2) gegenseitig auf, so dass in der Summe die Wiederkehrspannung im Ladestromkreis (27) und insbesondere am Ladestromschalter (5) wesentlich reduziert und ggf. bis auf Null gesenkt werden kann.
Bei der in 14 und 15 gezeigten Serienschaltung (40) sind die Umformstromkreise (2) und die Umformspulen (7) im wesentlichen gleich ausgelegt, wodurch sich ein Gleichtaktverfahren ergibt. Alternativ ist eine unterschiedliche Auslegung von Umformstromkreisen (2) und Umformspulen (7) möglich, wobei die Umformstromkreise (2) unterschiedliche Frequenzen sowie eine unterschiedliche zeitliche und örtliche Reihenfolge und Größe der Amplituden aufweisen können. Hierdurch ist z.B. eine örtlich unterschiedliche Umformwirkung in der Art einer Wanderwelle erzielbar. In weiterer Variation kann eine andere Ausführung einer Serienschaltung der Umformstromkreise (2) gewählt werden.
Abwandlungen der gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind in verschiedener Weise möglich. Dies betrifft einerseits die Detailausführungen der gezeigten elektrischen Schaltungen. Auf den Schaltstromkompensator (3) kann bei ausreichend niedrigen Ladeströmen oder bei Existenz genügend schaltfähiger Ladestromschalter (5) verzichtet werden.

1: Ladestromquelle
1': Ladestromquelle nach Stand der Technik
2: Umformstromkreis
2': Umformstromkreis nach Stand der Technik
3: Schaltstromkompensator, Stromunterdrückungskreis
4: Gleichstromquelle im Ladestromkreis
5: Ladestromschalter, Hauptschalter
6: Wirbelstromschleife im Werkstück
7: Umformspule, Induktivität
7': Umformspule nach Stand der Technik
8: Kondensator, Umladekondensator, Kapazität
8': Kondensator nach Stand der Technik
9: Kurzschließer
10: Hochstromschleife auf der Ladestromseite des
: Schaltstromtrafos
11: Magnet (Ring-) kern des Schaltstromtrafos
12: Hochspannungsspule auf der Erregerstromkeete des
: Schaltstromtrafos
13: Erregerstromschalter
14: Trenndiode
15: Rückwärts sperrende Gleichstromgelle im
: Erregerstromkreis
16: Trennwiderstand
17: RC-Kombination
18: RC-Kombination
19: RC-Kombination
20: RC-Kombination
21: RC-Kombination
22: elektromagnetische Umformeinrichtung
23: Werkstück, Bauteil
24: Umformwerkzeug, Matrize, Gesenk
25: Spulenhalter
26: Werkstückhalter
27: Ladestromkreis
27': Ladestromkreis nach Stand der Technik
28: Schaltstromtransformator
29: Erregerstromkreis am Schaltstromtrafo
30: Kompensationsstromkreis am Schaltstromtrafo
31: Sammelschiene
32: Abzweig
33: Schwingkreis, Arbeitsschwingkreis
34: Schwingkreis, Erregerschwingkreis
35: Entladestromschalter
36: Umformmechanik
37: Zuschalter
38: Ladeschalter
39: Koppelschalter
40: invertierbare Serienschaltung
41: Kompensations-Spannungsquelle
42: Ladewiderstand
43: Ladedrossel
44: Kompensations-Kondensator
45: Kompensatorschalter
46: Dämpfungswiderstand
47: Kompensations-Induktivität
48: Kompensations-Stromkreis
49: Kompensations-Schwingkreis
50: Schalter
51: Kompensations-Ladestromkreis
52: Kommutierungsschaltung
53: Löschthyristor
54: Kondensator
i1: Strom der Hochspannungsspule 12
u1: Spannung der Hochspannungsspule 12
i2: Strom der Hochstromschleife 10
u2: Spannung der Hochstromschleife 10
Θ1: elektromagnetische Durchflutung der Umformspule
Θ2: elektromagnetische Durchflutung im Werkstück
t1: Erregerstromschalter schließt
t2: Ladestromschalter schließt
t3: Erregerstromschalter öffnet
t4: Ladestromschalter öffnet
t5: Kurzschließer schließt
τ1: größter optimaler Wert von t4 hinsichtlich u1
τ2: größter möglicher Wert von t4 hinsichtlich i2
δ: Eindringtiefe
μr: relative Permeabilität, Permeabilitätszahl
B: Flussdichte
H: Feldstärke
F: magnetische Kraft

Claims

Verfahren zum elektromagnetischen Umformen von Werkstücken (23) mit einer Ladestromquelle (1), einem Ladestromkreis (27) und mindestens einem Umformstromkreis (2) mit einer Umformspule (7) und einem Kondensator (8), wobei in einem Aufladevorgang elektrische Energie in einem Speicherelement gespeichert wird und beim anschließenden Entladen im Umformstromkreis (2) ein Hochenergieimpuls und eine auf das Werkstück (23) einwirkende Magnetkraft F erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufladen die Umformspule (7) über einen Ladestromschalter (5) in den Ladestromkreis (27) geschaltet wird und die elektrische Energie in der Umformspule (7) gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufladen der Umformspule (7) das Werkstück (23) vormagnetisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ggekennzeichnet, dass beim Vormagnetisieren die magnetische Flussdichte B im Werkstück bis in den Sättigungsbereich erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vormagnetisieren die relative Permeabilität μr des Werkstücks (23), insbesondere eines ferromagnetischen Werkstücks, vor dem Entladevorgang verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufladen die Umformspule (7) und der Kondensator (8) parallel an die Ladestromquelle (1) angeschaltet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufladen an den Umformstromkreis (2) ein Lade-Gleichstrom mit geringer Spannung und hoher Stromstärke angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lade-Gleichstrom eine Spannung von vorzugsweise 300 bis 500 V und eine Stromstärke von mehr als 10 kA, vorzugsweise ca. 100 kA, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformspule (7) in weniger als 1 sec, vorzugsweise in ca. 10 msec aufgeladen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entladen ein Ladestromschalter (5) im Ladestromkreis (27) geöffnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder beim Öffnen eines Ladestromschalters (5) in einem Ladestromkreis (27) mit hohen Ladeströmen die Strombelastung des Ladestromschalters (5) zumindest temporär gemindert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Ladestromschalter (5) unmittelbar vor dem Öffnen ein dem Ladestrom entgegen gerichteter Gegenstrom getrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstrom in einem Schaltstromkompensator (3) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstrom mit einem Schaltstromtransformator (28) induktiv erzeugt wird, wobei zuvor der Trafokern (11) mit Gleichstrom mittels eines Erregerstromkreises (29) vormagnetisiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trafokern (11) vor Beginn der Aufladung der Umformspule (7) vormagnetisiert wird und die Vormagnetisierung vor Beginn der Entladung der Umformspule (7) im Umformstromkreis (2) beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstrom mit einem Kompensations-Stromkreis (48) kapazitiv erzeugt wird, wobei in einem Kompensations-Ladestromkreis (51) ein Kompensations-Kondensator (44) von einer Kompensations-Spannungsquelle (41) mit Gleichstrom geladen wird und anschließend in einem Kompensations-Schwingkreis (49) über den Ladestromschalter (5) entladen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestrom in einem Thyristor-Ladestromschalter (5) mittels einer Kommutierungsschaltung (52) in einem Schaltstromkompensator (3) zum Öffnen des Ladestromschalters (5) gemindert wird.
Vorrichtung zum elektromagnetischen Umformen von Werkstücken (23) mit einer Ladestromquelle (1), einem Ladestromkreis (27) und mindestens einem Umformstromkreis (2) mit mindestens einer Umformspule (7) und einem Kondensator (8), wobei in einem Aufladevorgang elektrische Energie in einem Speicherelement gespeichert wird und beim anschließenden Entladen im Umformstromkreis (2) ein Hochenergieimpuls und eine auf das Werkstück (23) einwirkende Magnetkraft F erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformspule (7) über einen Ladestromschalter (5) in den Ladestromkreis (27) geschaltet ist, wobei beim Aufladen die elektrische Energie in der Umformspule (7) speicherbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformspule (7) und der Kondensator (8) im Umformstromkreis (2) in ständiger Parallelschaltung fest verschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Umformstromkreise (2) in Reihe an die Ladestromquelle (1) und an den Ladestromschalter (5) angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Umformstromkreis (2) parallel zur Umformspule (7) und zum Kondensator (8) ein Kurzschließer (9) geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestromquelle (1) eine vorzugsweise rückwärts sperrende Gleichstromquelle (4) und eine parallel geschaltete RC-Kombination (21) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestromquelle (1) auf eine niedrige Spannung und einen hohen Strom ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestromquelle (1) auf eine Spannung von ca. 300 bis 500 V und einen Strom von mehr als 10 kA, vorzugsweise ca. 100 kA, ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformspule (7) mehr als eine Windung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinrichtung (22) eine Umformmechanik (36) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeinrichtung (22) mehrere Umformstromkreise (2) in einer invertierbaren Serienschaltung (40) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einen Ladestromkreis (27) mit hohen Strömen ein Schaltstromkompensator (3) angeschlossen ist, der die Strombelastung eines Ladestromschalters (5) vor oder beim Öffnen zumindest temporär mindert.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der in Reihe geschaltete Schaltstromkompensator (3) einen dem Ladestrom entgegen gerichteten Gegenstrom erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestromschalter (5) als Halbleiterschalter ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltstromkompensator (3) einen Schaltstromtransformator (28) mit einem magnetisierbaren Trafokern (11) und einem Erregerschwingkreis (34) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltstromtransformator (28) auf der einen Seite eine an den Ladestromkreis (27) angeschlossene Hochstromschleife (10) mit geringer Windungszahl aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltstromtransformator (28) auf der anderen Seite eine Hochspannungsspule (12) mit höherer Windungszahl aufweist, die schaltbar (13) an einen Erregerstromkreis (29) und eine Gleichstromquelle (15) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 30, 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass die rückwärts sperrende Gleichstromquelle (15) parallel zu einer RC-Kombination (20) und anti-parallel zu einer Trenndiode (14) geschaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Schaltstromtransformators (28) größer als die Frequenz des Umformstromkreises (2) und letztere wiederum größer als die Frequenz der Ladestromquelle (1) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltstromkompensator (3) einen Kompensations-Stromkreis (48) mit einem Kompensations-Kondensator (44), einer Kompensations-Spannungsquelle (41) für Gleichstrom, einem Kompensatorschalter (45), einer Kompensations-Induktivität (47) und dem Ladestromschalter (5) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestromschalter (5) als Thyristorschalter ausgebildet ist, wobei der Schaltstromkompensator (3) eine Kommutierungsschaltung (52) mit einem Löschthyristor (53) und einem aufgeladenen Kondensator (54) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Umformmechaniken (36) und Umformstromkreise (2) parallel und einzeln schaltbar an eine gemeinsame Ladestromquelle (1) mit Schaltstromkompensator (3) angeschlossen sind.