DE102004057423B4 - Tunable converter - Google Patents
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Abstract
Treiberschaltung für ein Ultraschallwerkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zusätzliche Piezoelemente, die elektrisch parallel und mechanisch in Reihe zu den schwingungserzeugenden Piezoelementen des Ultraschallwerkzeugs verschaltet sind, sowie wenigstens ein elektrisch ansteuerbarer Schalter vorgesehen sind, mit denen die Resonanzfrequenz des Ultraschallwerkzeugs durch periodisches Kurzschließen und Öffnen des Stromkreises des zusätzlichen Piezoelements zwischen den beiden Extremfällen "vollständig elektrisch kurzgeschlossen" und "vollständig elektrisch offen" kontinuierlich verstimmbar ist bzw. im Rahmen einer Regelung definiert vorgegeben werden kann.driver circuit for a Ultrasonic tool, characterized in that one or more additional Piezoelectric elements that are electrically parallel and mechanically in series too the vibration generating piezo elements of the ultrasonic tool are interconnected, and at least one electrically controllable Switches are provided, with which the resonance frequency of the ultrasonic tool by periodic shorting and open the circuit of the additional Piezo element between the two extreme cases "completely electrically short-circuited" and "completely electrically open "is continuously detunable or in the context a regulation defined can be specified.
Description
Zur Anregung von Ultraschall-Werkzeugen werden üblicherweise piezoelektrisch oder magnetostriktiv betriebene Schwingungsanreger verwendet, die auf eine bestimmte Resonanzfrequenz (z. B. die der ersten Longitudinalschwingung) abgestimmt sind. Wenn das Werkzeug bei einer anderen Frequenz resonant betrieben werden soll, muss normalerweise ein anderer Schwingungsanreger eingesetzt werden, was in der technischen Anwendung häufig einen erheblichen Kostenfaktor darstellt. Zudem stellt sich aufgrund unterschiedlicher Umgebungsbedingungen beim Betrieb eines Ultraschallwerkzeugs gewöhnlich eine Resonanzfrequenz ein, die nie genau der Frequenz entspricht, bei der das Werkzeug nominell betrieben werden soll (z. B. 19,8 kHz statt 20,0 kHz). Weiterhin sind Ultraschallwerkzeuge meist lastabhängig, d. h. die Lage der Resonanzfrequenz ändert sich in Abhängigkeit von Prozessparametern.to Excitation of ultrasonic tools are usually piezoelectric or magnetostrictively driven vibration exciter used to a certain resonance frequency (eg that of the first longitudinal vibration) are coordinated. If the tool is resonant at another frequency should be operated normally, another vibration exciter which are often used in technical applications represents a significant cost factor. It also arises due to different Environmental conditions when operating an ultrasonic tool usually one Resonant frequency which never exactly matches the frequency at the tool is nominally operated (eg 19.8 kHz instead of 20.0 kHz). Furthermore, ultrasonic tools are usually load-dependent, d. H. the position of the resonance frequency changes depending on of process parameters.
Wichtig
ist eine genau kontrollierbare Resonanzfrequenz z. B. dann, wenn
zwei oder mehrere Ultraschallwerkzeuge mit geringer Dämpfung synchron
bei der gleichen Frequenz betrieben werden sollen (z. B. bei Verwendung
eines einzigen Generators für
alle Werkzeuge). Bei vereinfachter Modellierung lässt sich
das elektrische Klemmenverhalten eines Ultraschallwerkzeug durch
den in
Das gleiche Problem ergibt sich entsprechend bei Betrieb im Bereich der Antiresonanz (z. B. bei Frequenz f'2)The same problem arises correspondingly when operating in the region of the antiresonance (eg at frequency f ' 2 )
Verschiedene Lösungen des oben genannten Problems sind bekannt (Abschlussbericht zum Sonderforschungsbereich 543 der Universität Stuttgart: "Ultraschallbeeinflusstes Umformen metallischer Werkstoffe", S. 180 ff.). Es ist zunächst bekannt, dass sich die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Schwingungserregers definiert verschieben lässt, wenn den piezoelektrischen Anregungskeramiken weitere Piezo-Elemente elektrisch parallel geschaltet werden. Je nachdem, ob die elektrischen Klemmen des Zusatz-Elementes elektrisch offen oder kurzgeschlossen sind, ist die Resonanzfrequenz unterschiedlich. Grundlage ist der physikalische Effekt der "piezoelektrischen Versteifung": Die elektromechanische Verkopplung in piezoelektrischen Materialien sorgt dafür, dass sich piezoelektrische Materialien mit kurzgeschlossenen elektrischen Klemmen (verschwindendes elektrisches Feld) weicher verhalten als bei offenen Klemmen (verschwindende dielektrische Verschiebung).Various solutions of the above-mentioned problem are known (final report on the Collaborative Research Center 543 of the university Stuttgart: "Ultrasound-influenced Forming metallic materials ", P. 180 ff.). It is first It is known that the resonance frequency of a piezoelectric Vibrator defined to let shift when the piezoelectric Excitation ceramics further piezo elements electrically connected in parallel become. Depending on whether the electrical terminals of the additional element are electrically open or shorted, is the resonant frequency differently. The basis is the physical effect of the "piezoelectric Stiffening ": The electromechanical Coupling in piezoelectric materials ensures that piezoelectric materials with shorted electrical terminals (vanishing electric field) softer behavior than open Clamps (vanishing dielectric displacement).
Weiterhin ist es möglich, durch einen den piezoelektrischen Zusatzelementen parallel geschalteten Kondensator eine bestimmte Resonanzfrequenz einzustellen, die sich je nach Kapazität des Kondensators irgendwo zwischen den beiden Grenzfrequenzen des Systems mit offenen oder kurzgeschlossen Klemmen am Zusatzelement einstellt.Farther Is it possible, by a piezoelectric additional elements connected in parallel Capacitor to set a specific resonant frequency, which is depending on capacity of the capacitor somewhere between the two cutoff frequencies of the Systems with open or shorted terminals on the additional element established.
Weiter
beschreibt die Offenlegung
Es gibt außerdem Ansätze, die Resonanzfrequenz durch zusätzliche Massen oder Steifigkeiten im mechanischen Teil des Schwingungsanregers gezielt zu verändern. Auf diese Weise erreicht man vergleichsweise große Frequenzverschiebungen.It there as well Approaches, the resonance frequency by additional Masses or stiffnesses in the mechanical part of the vibration exciter to change specifically. In this way one achieves comparatively large frequency shifts.
Der bekannte Stand der Technik weist verschiedene Nachteile auf: Bei den vorgeschlagenen Lösungen mit einem zusätzlichen Piezo-Element und ggf. mit einem parallelgeschalteten Kondensator ist stets nur eine bestimmte Frequenz einstellbar. Allenfalls kann die Frequenz durch Zuschalten unterschiedlich großer Kapazitäten schrittweise verstellt werden, jedoch nur in dem schmalen Frequenzband, das durch die beiden Zustande „elektrisch kurzgeschlossene Klemmen des Zusatzelements" und „elektrisch offene Klemmen des Zusatzelements" definiert wird.The known prior art has various disadvantages: In the proposed solutions with an additional piezoelectric element and possibly with a parallel capacitor is always only a certain frequency adjustable. At most, the frequency can be adjusted stepwise by adding different capacities, but only in the narrow frequency band. which is defined by the two states "electrically shorted terminals of the additional element" and "electrically open terminals of the additional element".
Mit einer zusätzlichen Masse oder Steifigkeit kann die Frequenz zwar prinzipiell kontinuierlich verstellt werden, jedoch kann sie nicht ohne großen Aufwand automatisch verändert werden, da ein Eingriff in das mechanische System erforderlich ist. Zudem führt eine zusätzliche, variabel angekoppelte Masse oder Steifigkeit im Allgemeinen zu einer erhöhten Dämpfung, einem höheren Leistungsbedarf und damit zu einem verringerten Wirkungsgrad des Schwingungserregers.With an additional one Mass or stiffness, while the frequency is basically continuous but it can not be changed automatically without much effort, since an intervention in the mechanical system is required. In addition, a leads additional variably coupled mass or stiffness generally to one increased damping, a higher one Power requirement and thus to a reduced efficiency of the Vibration exciter.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Schwingungserregers allein durch Veränderung elektrischer Ansteuerungssignale und unter Vermeidung der oben genannten Nachteile kontinuierlich verschiebbar zu gestalten.It is therefore an object of the invention, the resonant frequency of a piezoelectric Vibration generator alone by changing electrical control signals and while avoiding the above-mentioned disadvantages continuously to make it movable.
Mit der Erfindung wird es möglich, die Resonanzfrequenz des Schwingungsanregers auf eine Wunschfrequenz zu stimmen. Beispielsweise können lastabhängige Frequenzänderungen während des Betriebs ausgeglichen werden, ohne den günstigen Resonanzzustand des Ultraschallwerkzeugs zu verlassen.With the invention makes it possible the resonance frequency of the vibration exciter to a desired frequency to vote. For example, you can load dependent frequency changes during the Be balanced without the favorable resonance state of the Leave ultrasound tool.
Weiterhin ist es bei zwei oder mehreren synchronisierten Werkzeugen möglich, die Lage ihrer Resonanzfrequenzen variabel zu verschieben, so dass alle Werkzeuge stets in dem leistungsmäßig idealen Resonanzpunkt arbeiten.Farther It is possible with two or more synchronized tools, the Shift their resonant frequencies variably so that all Tools always work in the performance-ideal resonance point.
Weiterhin ist es möglich, Ultraschallwerkzeuge, die trotz nominell gleicher Resonanzfrequenz im Betrieb unterschiedliche Resonanzfrequenzen besitzen, blindleistungsfrei zu betreiben, indem wenigstens ein Werkzeug auf die gewünschte Betriebsfrequenz gestimmt wird.Farther Is it possible, Ultrasonic tools, despite nominally the same resonant frequency have different resonance frequencies during operation, without reactive power operate by putting at least one tool at the desired operating frequency is voted.
Weiterhin ist es möglich, zwei unterschiedliche Ultraschallwerkzeuge mit einem einzigen Generator exakt in Resonanz zu betreiben, wenn mindestens eines von ihnen mit der Erfindung stimmbar ausgeführt ist. Sie erlaubt eine kontinuierliche, variable Veränderung der Resonanzfrequenz, mit der auch während des Betriebs auftretende Veränderungen der Resonanzfrequenzen automatisch ausgeglichen werden können. Besonders vorteilhaft ist dies, wenn auf entsprechende Weise mehrere Ultraschallschwinger an einer elektrischen Quelle betrieben werden sollen.Farther Is it possible, two different ultrasonic tools with a single generator to resonate exactly when at least one of them is carried out tunable with the invention. It allows a continuous, variable change the resonant frequency, with the occurring during operation Changes in the Resonant frequencies can be compensated automatically. Especially this is advantageous if, in a corresponding manner, a plurality of ultrasonic oscillators to be operated on an electrical source.
Weiterhin ist es möglich, die Vorschubkraft einphasiger piezoelektrischer Motoren zu steigern, indem mehrere Motoren parallel geschaltet werden. Mit dem beschriebenen Verfahren können alle Motoren auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt und mit einer einzigen elektrischen Ansteuerung direkt in Resonanz betrieben werden.Farther Is it possible, to increase the feed force of single-phase piezoelectric motors, by several motors are connected in parallel. With the described Procedures can all motors tuned to the same resonant frequency and with a single electrical control operated directly in resonance become.
Piezoelektrische Motoren, bei denen unterschiedliche Schwingungsmoden synchronisiert werden, um eine elliptische Stößel- oder Oberflächenbewegung zu erzeugen, arbeiten häufig deshalb nicht optimal effektiv, weil es aus fertigungstechnischen Gründen äußerst schwierig ist, die beiden verwendeten Schwingungsmoden exakt auf die gleiche Resonanzfrequenz abzustimmen (mindestens eine Mode muss dann abseits des energetisch günstigen Resonanzpunktes betrieben werden). Mit dem vorgeschlagenen Verfahren zur Stimmung kann der Frequenzunterschied zwischen den beiden Moden kompensiert werden.piezoelectric Motors in which different vibration modes synchronized be an elliptical plunger or surface movement to produce, work frequently therefore not optimally effective, because it is extremely difficult for manufacturing reasons is, the two vibration modes used exactly the same Resonance frequency to tune (at least one mode must then off of the energetically favorable Resonance point operated). With the proposed method to the mood, the frequency difference between the two modes be compensated.
Basierend
auf der Lösung
eines oder mehrerer zusätzlicher
Piezo-Elemente, die elektrisch parallel und mechanisch in Reihe
zu den schwingungserzeugenden Piezoelementen des Ultraschallwerkzeugs
verhaltet werden, wird ein erstes Ausführungsbeispiel beschrieben.
Zur Illustration dient das Ersatzschaltbild aus
Statt
eine weitere Kapazität
parallel zu der des wenigstens einen zusätzlichen Piezoelements (Kapazität CT) zu
schalten, wird der Stromkreis des wenigstens einen zusätzlichen
Piezoelements über wenigstens
einen elektronisch angesteuerten Schalter S periodisch abwechselnd
kurzgeschlossen und geöffnet.
Hierbei kann ein- oder mehrmals pro Periodendauer der Vibration
zwischen den Betriebszuständen "elektrisch kurzgeschlossen" und "elektrisch offen" umgeschaltet werden.
Optional
wird dem wenigstens einen zusätzlichen
Piezoelement wenigstens eine zusätzliche
Induktivität
LT elektrisch parallel geschaltet, siehe
Durch periodisches, pro Schwingzyklus der Systemschwingung ein- oder mehrmaliges Aus← und Einschalten eines der Abstimmungsspule in Reihe geschalteten Schalters S lässt sich der wirksame Induktivitätswert verändern, ohne die Induktivität LT zu ändern. Wird nun das System bei einer der beiden Antiresonanzen betrieben, so lässt sich das System bei unterschiedlichen Frequenzen betreiben, ohne den energetisch günstigen Zustand mit Phasenwert null Grad zu verlassen (bezüglich der Klemmen blindleistungsfreier Betrieb). Gegenüber der vorstehenden Ausführung werden hierbei keine zusätzlichen piezoelektrischen Elemente für das Stimmen benötigt.By periodic, one or more times per oscillation cycle of the system oscillation Off ← and on one of the tuning coil connected in series switch S can be the effective inductance value change, without the inductance LT to change. If the system is now operated on one of the two anti-resonances, so lets operate the system at different frequencies without the energetically favorable State with phase value zero degrees left (with respect to Terminals reactive power free operation). Compared to the above embodiment no additional piezoelectric Elements for the votes needed.
Durch periodisches, pro Schwingzyklus der Systemschwingung ein- oder mehrmaliges Aus← und Einschalten eines der Abstimmungsspule parallel geschalteten Schalters S lässt sich der wirksame Induktivitätswert verändern, ohne die Induktivität LS zu ändern. Wird nun das System bei einer der beiden Resonanzfrequenzen betrieben, so lässt sich das System bei unterschiedlichen Frequenzen betreiben, ohne den energetisch günstigen Zustand mit Phasenwert null Grad zu verlassen (bezüglich der Klemmen blindleistungsfreier Betrieb). Gegenüber der ersten Ausführung werden hierbei keine zusätzlichen piezoelektrischen Elemente für das Stimmen benötigt.By periodic, one or more times per oscillation cycle of the system oscillation Off ← and on one of the tuning coil connected in parallel switch S can be the effective inductance value change, without the inductance LS to change. If the system is now operated at one of the two resonance frequencies, so lets operate the system at different frequencies, without the energetically favorable State with phase value zero degrees left (with respect to Terminals reactive power free operation). Be compared to the first version no additional piezoelectric Elements for the votes needed.
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