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Die Erfindung betrifft ein System zum Vibrationsschweißen und Verfahren zum Vibrationsschweißen mittels eines solchen Systems.
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Aus der
WO02/076737 A1 ist ein System zum linearen Vibrationsschweißen bekannt.
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Aus der
US 3 920 504 A ist ebenfalls ein System zum Reibungsschweißen bekannt.
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Aus der
DE 100 38 619 A1 ist eine digitale Thyristorschaltung zur Versorgung eines Elektromagneten bekannt.
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Aus der
DE 11 30 014 B ist ein Amplitudenbegrenzer für elektrische Wechselspannungen bekannt.
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Aus der
CH 444 953 A ist ein Schwingkreiswechselrichter mit einer aus einem Ohmschen und induktiven Widerstandsteil bestehenden Last bekannt, welche zusammen mit einem Kondensator einen Schwingkreis bilden.
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Aus der
DE 10 2013 204 621 A1 ist eine Vibrationsschweißmaschine und ein Verfahren zu deren Betreiben bekannt.
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Aus der
JP 2008 -
238 111 A sind eine Vibrationsschweißmaschine und ein zugehöriges Vibrationsschweißverfahren bekannt, bei dem die Vibration von Elektromagneten erzeugt wird, die über einen Inverter und eine Scott-Schaltung beaufschlagt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zum Vibrationsschweißen weiterzubilden, wobei ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreichbar sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem System zum Vibrationsschweißen nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem System zum Vibrationsschweißen sind, dass ein Ankerteil mit zumindest einem Elektromagnet in Wirkverbindung ist, wobei das Ankerteil abhängig von der Bestromung einer Spule des Elektromagneten von diesem angezogen wird,
wobei die Spule aus den Ausgangspolen eines Vierpols gespeist wird,
wobei der Vierpol eine Kapazität, insbesondere einen Kondensator, aufweist,
wobei die Resonanzfrequenz des aus der Kapazität des Vierpols und der Induktivität der Spule gebildeten Schwingkreises im Wesentlichen der Frequenz des der Spule aus dem Vierpol zugeführten Wechselstromes entspricht.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Verluste reduzierbar sind. Somit ist die elektrische Wirkleistung mit einem hohen Wirkungsgrad umwandelbar in mechanische Leistung und somit auch in Reibleistung, weil mittels des hin- und herschwingenden Ankerteils fast gänzlich die mechanische Energie in Reibungswärme umgewandelt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kapazität zwischen den Ausgangspolen angeordnet, insbesondere also ein erster Pol der Kapazität an einem ersten Ausgangspol und der andere Pol der Kapazität am anderen Ausgangspol. Von Vorteil ist dabei, dass mit einer einfachen Anordnung zur Kompensation die Verlustleistung reduzierbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kapazität steuerbar, indem sie aus einer Parallelschaltung von Reihenschaltungen besteht, die jeweils aus einer Kapazität und einem dazu in Reihe geschalteten steuerbaren Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, bestehen.
Somit ist vorteiligerweise ein Abstimmen der elektrischen auf die mechanische Resonanzfrequenz einfach ausführbar.
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Erfindungsgemäß speist eine Sekundärwicklung eines Scott-Transformators die Eingangspole des Vierpols. Von Vorteil ist dabei, dass primärseitig eine große elektrische Leistung bereitstellbar ist, insbesondere eine dreiphasige Versorgung der Primärseite ermöglicht ist. Sekundärseitig stehen somit ebenfalls große elektrische Leistungen zur Verfügung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verbindet eine Induktivität, insbesondere Drossel zur Strombegrenzung, einen der Eingangspole und einen der Ausgangspole,
insbesondere wobei der andere Eingangspol und der andere Ausgangspol elektrisch miteinander verbunden sind. Von Vorteil ist dabei, dass der Strom begrenzbar ist und somit zur Speisung der Primärseite Rechteckspannungen bereitstellbar sind. Denn mittels der Induktivität ist die Änderungsgeschwindigkeit des Ladestroms auch bei speisenden Rechteckspannungen begrenzt auf einen vorgesehenen Wert.
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Alternativ ist die Induktivität, insbesondere Drossel zur Strombegrenzung, primärseitig angeordnet, also zwischen dem Ausgang des speisenden Umrichters und dem primärseitigen Eingang des Transformators, insbesondere Scott-Transformators. Somit ist die Induktivität vorteiligerweise sehr kompakt ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ankerteil mit einem Federelement verbunden, insbesondere vom Federelement, insbesondere vom mehrstückig ausgeführten Federelement, gehalten ist. Von Vorteil ist dabei, dass das Federelement das Ankerteil in eine Ruhelage bringt, wenn keine weiteren Kräfte wirken, also insbesondere der jeweilige in Wirkverbindung stehende Elektromagnet unbestromt ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ankerteil mit einem weiteren Elektromagnet in Wirkverbindung, insbesondere wobei das Ankerteil abhängig von der Bestromung einer Spule des weiteren Elektromagneten von diesem angezogen wird,
wobei die Spule des weiteren Elektromagneten aus den Ausgangspolen eines weiteren Vierpols gespeist wird,
wobei der weitere Vierpol eine Kapazität, insbesondere einen Kondensator, aufweist,
wobei die Resonanzfrequenz des aus der Kapazität des weiteren Vierpols und der Induktivität der Spule des weiteren Elektromagneten gebildeten Schwingkreises im Wesentlichen der Frequenz des der Spule des weiteren Elektromagneten aus dem weiteren Vierpol zugeführten Wechselstromes entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass mittels zeitlich nacheinander vorgesehenem, also abwechselndem, Strommaximum der beiden Elektromagnete eine effektive Hin- und Herbewegung erreichbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kapazität des weiteren Vierpols zwischen dessen Ausgangspolen angeordnet, insbesondere also ein erster Pol der Kapazität an einem ersten Ausgangspol und der andere Pol der Kapazität am anderen Ausgangspol des weiteren Vierpols. Von Vorteil ist dabei, dass mittels der Parallelschaltung wie auch beim ersten Vierpol ein Parallelschwingkreis hergestellt ist, so dass die zugehörige Resonanzfrequenz der Frequenz des Stromes gleich ist und somit Verluste minimierbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung speist eine weitere Sekundärwicklung des Transformators, insbesondere Scott-Transformators, die Eingangspole des weiteren Vierpols. Von Vorteil ist dabei, dass die weitere und die erste Sekundärwicklung derart anordenbar sind, dass sie zwar beide jeweils eine einphasige Wechselspannung zur Verfügung stellen, aber eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Wechselspannungen in einfacher Weise bereit stellbar ist. Vorzugsweise beträgt die Phasenverschiebung 90°.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verbindet eine weitere Induktivität, insbesondere Drossel zur Strombegrenzung, einen der Eingangspole und einen der Ausgangspole des weiteren Vierpols,
insbesondere wobei der andere Eingangspol und der andere Ausgangspol des weiteren Vierpols elektrisch miteinander verbunden sind. Von Vorteil ist dabei, dass rechteckförmige Speisespannungen verwendbar sind und trotzdem die Kapazität, insbesondere ein oder mehrere Kondensatoren, von einem zu hohen Strom oder einer zu hohen Stromänderungsgeschwindigkeit schützbar sind.
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Erfindungsgemäß ist die Primärwicklung des Transformators dreiphasig versorgt aus einem Wechselrichter, der eine dreiphasige Ausgangsspannung bereit stellt. Von Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiger ausgangsseitig dreiphasiger Wechselrichter verwendbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung, insbesondere welche zwischen den Eingangspolen des Vierpols anliegt, eine Phasenverschiebung von im Wesentlichen 90° zur in der weiteren Sekundärwicklung induzierten Spannung, insbesondere welche zwischen den Eingangspolen des weiteren Vierpols anliegt, auf. Von Vorteil ist dabei, dass eine effektive Hin- und Herbewegung bewirkbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ankerteil mit einem ersten Werkstück verbunden, auf welches von einem Linearaktor ein zweites Werkstück hin drückbar ist,
insbesondere wobei die Bewegungsrichtung des Linearaktors nicht parallel, insbesondere senkrecht, zu derjenigen Richtung ist, in welcher das Ankerteil vom Elektromagnet oder vom weiteren Elektromagnet auslenkbar ist auslenkbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein Reibschweißen in einfacher Weise realisierbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die vom Elektromagnet bewirkte Auslenkungsrichtung aus der vom Federelement bestimmten Ruhelage, insbesondere bei unbestromten Elektromagnet, parallel zu der vom weiteren Elektromagneten bewirkten Auslenkung aus der vom Federelement bestimmten Ruhelage, insbesondere bei unbestromte Elektromagneten. Von Vorteil ist dabei, dass die Anziehungskraft zeitlich abwechselnd von den beiden Elektromagneten erzeugt wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist ein erfindungsgemäßes System zum Vibrationsschweißen gezeigt.
- In der 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes System zum Vibrationsschweißen gezeigt, wobei eine steuerbare Kapazität als Vierpol 30 fungiert.
- In der 3 ist die steuerbare Kapazität des Vierpols 30 detaillierter dargestellt.
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Hierbei ist ein Ankerteil 3 über Federelemente 2 an einem fest angeordneten Tragteil 1 gehalten. Das Ankerteil 3 ist aus ferromagnetischem Material ausgeführt.
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Das Ankerteil ist von einem Elektromagnet 4 bei dessen Bestromung aus seiner von den Federelementen 2 bestimmten Ruhelage auslenkbar.
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Ein weiterer Elektromagnet ist derart angeordnet, dass er bei seiner Bestromung der Auslenkung entgegen zu wirken vermag.
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Die beiden Elektromagneten werden mit einem niederfrequenten Wechselstrom beaufschlagt, wobei allerdings der im ersten Elektromagnet 4 fließende Strom eine Phasenverschiebung von ungefähr 90° zu dem im weiteren Elektromagnet 4 fließenden Strom aufweist. Auf diese Weise ist eine Hin- und Herbewegung des Ankerteils 3 bewirkbar.
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Als Frequenz des Wechselstroms wird hierbei ein Wert zwischen 10 Hertz und 10 000 Hertz bevorzugt.
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Mit dem Ankerteil 3 ist ein erstes Werkstückteil 5, insbesondere erstes Fügeteil 5 verbunden.
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Ein zu verbindendes zweites Werkstückteil 6, insbesondere zweites Fügeteil, wird mittels eines Linearaktors 7 zum ersten Werkstückteil 5 herangebracht und während der Hin- und Herbewegung des ersten Werkstückteils 5 auf dieses gedrückt.
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Die Hin- und Herbewegung ist vorzugswiese senkrecht zur durch den Linearaktor bewirkbaren Bewegungsrichtung des zweiten Werkstückteils 6.
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Vorzugsweise ist der Linearaktor ein Hubtisch und ermöglicht somit ein Anheben des zweiten Werkstückteils 6 zum ersten Werkstückteil 5 hin.
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Der Umrichter 9 mit dreiphasiger Ausgangsspannung stellt eine Spannungsquelle dar, aus welcher ein Scott-Transformator 8 gespeist wird, der zwei Sekundärwicklungen aufweist, deren induzierte Spannungsverläufe im Wesentlichen um 90° versetzt zueinander sind. Primärseitig weist der Transformator 8 also einen dreiphasigen Anschluss auf. Sekundärseitig weist der Transformator Anschlüsse für die zwei Sekundärwicklungen auf.
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Aus der ersten Sekundärwicklung wird über einen zwischengeordneten Vierpol 10 der erste Elektromagnet 4 versorgt und aus der zweiten Sekundärwicklung der zweite Elektromagnet 4 über einen zweiten zwischengeordneten Vierpol 10. Zwischen den beiden Elektromagneten 4 ist als Schwingkörper das Ankerteil 3 angeordnet, so dass dieser den beiden von den Elektromagneten 4 erzeugten Magnetfeldern ausgesetzt ist und somit eine lineare Hin- und Herbewegung mit der vom Umrichter 9 ausgangsseitig zur Verfügung gestellten Frequenz ausführt, da die von den beiden Elektromagneten 4 erzeugten Magnetfelder zueinander eine Phasenverschiebung aufweisen. Das als Schwingkörper fungierende Ankerteil 5 weist vorzugsweise ferromagnetisches Material auf, wie beispielsweise Eisen oder ferromagnetischer Stahl oder ist als Dauermagnet ausgeführt.
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Der jeweils zwischengeordnete Vierpol 10 weist einen Kondensator auf, welcher elektrisch parallel zur jeweiligen Sekundärwicklung angeordnet ist und somit einen Parallelschwingkreis bildet. Die Frequenz der vom Umrichter ausgangsseitig zur Verfügung gestellten Spannung entspricht im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises. Auf diese Weise ist ein besonders verlustarmes Betreiben des Systems erreichbar.
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Zur Strombegrenzung wird der von der jeweiligen Sekundärwicklung zum Kondensator fließende Strom über eine Drosselinduktivität geleitet. Somit ist es ermöglicht, dass der Umrichter ausgangsseitig sehr schnelle Spannungsveränderungen bereit stellt und trotzdem der Ladestrom zum Kondensator des Vierpols 10 hin begrenzbar ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 und 3 ist im Unterschied zur 1 die Induktivität 31 des Vierpol 10 auf die Primärseite des Scott-Transformators 8 verschoben. Somit sind die drei Induktivitäten 31 nun zwischengeschaltet zwischen dem Ausgang des Wechselrichters und dem primärseitigen Eingang des Scott-Transformators 8. Die drei Induktivitäten sind somit kompakter ausführbar als die Induktivitäten der Vierpole 10 des Ausführungsbeispiels nach 1.
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Der Scott-Transformator 8 übersetzt die Primärspannung auf eine Sekundärspannung, deren Effektivwert größer ist als der Effektivwert der Primärspannung.
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Statt des Vierpols 10 ist nun als Vierpol 30 eine steuerbare Kapazität vorgesehen. Wie aus 3 ersichtlich, ist der Kapazitätswert aus einer Parallelschaltung von Reihenschaltungen dargestellt, wobei jede Reihenschaltung einen steuerbaren Schalter 41 und einen Kondensator aufweist. Mittels der Ansteuersignale 42 sind die steuerbaren Schalter 41 steuerbar und somit der gewünschte Kapazitätswert des Vierpols 30 erreichbar.
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In Weiterbildung wird aus den von der Vorrichtung bekannten Parametern, insbesondere Federkonstante und Masse, die mechanische Resonanzfrequenz abgeschätzt. Somit ist ein Einstellen des Kapazitätswerts des Vierpols 30 schnell und einfach ausführbar. Denn der Kapazitätswert wird bevorzugt derart gewählt, dass die elektrische Resonanzfrequenz sich möglichst gering unterscheidet von der mechanischen Resonanzfrequenz.
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Auf diese Weise ist ein Stromminimum erreichbar und daher die Standzeit der steuerbaren Schalter der Endstufe erhöhbar.
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In Weiterbildung ist auch ein Regler verwendbar, der den Strom erfasst und durch entsprechendes Erzeugen von Steuerspannungen für den Vierpol 30 zu minimieren versucht. Auf diese Weise ist auch bei thermisch durch Massenänderung oder anderweitig bedingte Änderungen veränderter Wert der Resonanzfrequenz ein Nachführen der elektrischen Resonanzfrequenz ausführbar.
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Mittels der drei Induktivitäten 31 ist nun aber wiederum der Strom begrenzt.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist das Ankerteil 3 zusätzlich einen Dauermagnet auf oder ist als Dauermagnet ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tragteil
- 2
- Federelemente
- 3
- Ankerteil
- 4
- Elektromagnet
- 5
- erstes Werkstückteil, insbesondere erstes Fügeteil
- 6
- zweites Werkstückteil, insbesondere zweites Fügeteil
- 7
- Linearaktor
- 8
- Scott-Transformator
- 9
- Umrichter (Wechselrichter) mit dreiphasiger Ausgangsspannung
- 10
- Vierpol, aufweisend zumindest einen Kondensator
- 30
- Vierpol, insbesondere Kapazität
- 31
- Induktivität
- 41
- steuerbarer Schalter
- 42
- Ansteuersignal
