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Einrichtung zur Erzeugung-eines Magnetfeldes
hoher
Magnetflußdichte Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen
Feldes hoher Plußdichte.
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Die Verwendung eines starken Magnetfeldes zur Erzeugung der zum Verformen
eines Werkstückes notwendigen Energie hat beträchtlich an Bedeutung zugenommen.
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Beispielsweise ist bereits Metall unter Verwendung eines starken,
sich aufbauenden oder abbauenden Magnetfeldes verformt worden, eines Magnetfeldes
welches in einem elektrisch leitenden Werkstück einen elektrischen Strom (eurrent
flow) induziert. Durch die Wechselwirkung zwischen dem induzierten Strom und dem
Magnetfeld wird
auf das Werkstück eine Kraft ausgeübt, welche. proportional
ist der Energiedichte im Feld; wird das Werkstück teilweise gegenüber einer durch
diese Kraft erzeugten .Bewegung festgelegt, so wird die gewünschte Verformung .des
Werkstückes erreicht.
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Ein Verfahren und eine Einrichtung zum Verformen von Metall in der
erwähnten Art sind in der US Patentschrift 2 976 907 beschrieben.-In
der Praxis wird ein Maghetfeld hoher Intensität mit einer Spüle erreicht, welche
eine hohe Flußdichte und dadurch in unmittelbarer Nähe der-Oberfläche des zu verformenden
Werkstückes eine-hohe Energiedichte erzeugt. Die Spule unterliegt dabei jedoch der
Gegenwirkung der Verformungskräfte. Übliche Spulen können diesen Gegenwirkungen
jedoch nicht standhalten.
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Das von*der Spule erzeugte Magnetfeld hoher Intensität neigt auch
dazu in seiner Nähe angeordnete Apparate und Instrumente in ihrer Funktion zu Stören.
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.Bei der Schaffung eines Spulenträgers sowie einer Ab-
schirmung
der Spule gegenüber in ihrer Nähe angeordneten Instrumenten ist es wichtig darauf
zu achten, daß Spulenträger und Abschirmeinrichtung die Wirksamkeit der
Spule
nicht nachteilig durch unerwünschte Energievernichtung des Magnetfeldes beeinflussen.
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Solche Konstruktionen, welche die erwünschten Eigenschaften begünstigen,
d.h. welche sich als Spulenträger eigner4 die Spule gleichzeitig von den in der.Nähe
angeordneten Instrumenten abschirmen und die Energie des Magnetfeldes erhalten,
erfüllen ihren Zweck deshalb'nicht richtig, weil z.B. das Magnetfeld in einer Abschirmvorrichtung
Wirbelströme induziert und dadurch Energieverluste im Magn etfeld auftreten. Eine
optimale Konstruktion war bisher nicht zur Verfügung.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb eine Einrichtung zur Erzeugung
eines Magnetfeldes hoher Magnetflußdichte zu schaffen, bei welcher die Magnetfluß
erzeugenden Elemente hinreichend gelagert sowie von den sie umgebenden Geräten abgeschirmt
sind und bei welcher die Energieverluste im Magnetfeld auf ein Minimum reduziert
sind.
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Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Einrichtung zur
Erzeugung eines Magnetfeldes hoher Magnetflußdichte zu schaffen, welche in der magnetischen
Verformungstechnik verwendbar ist und welche die Kräfte aushalten kann, denen sie
während der Verfor±ung eines Werkstückes.ausgesetzt ist.
Die beiliegenden.Figuren
erläutern die Erfindung: Es stell-en dar:-Figur 1 einen.Schnitt. durch die
erfindungsgemäße Einrichtung in schematischer Darstellung; im Inne-,ren der erfindungs,gemäßen
Einrichtung-befindet sich ein bereits-verformtes Werkstück, Figur 2. eine teilweise
auseinander gezogene Darstellung der Einrichtung gemäß Figur 1 mit einem
noch nicht verformten Werkstück.
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Die Magnetfeld.erzeugende Einrichtung 10 der dargestellten
Ausführungsform eignet sich besonders für-die Verwendung in der magnetischen Verformungstechnik.-Sie
umfaßt eineinnerhalb einem.ini,Querschnitt ringförfnigen Gehäuse 14 angeordnete
Spule 12.. Das Gehäuse 14 dient als Träger de r-Spule und schirmt sie gegenüb er
in ihrer Umgebung angeordneten Gerätenab, d.h. es reduziert das Magnetfeld außerhalb
dem Gehäuse 14 so
daß es die der erfindungsgemäßen Einrichtung umgebenden Geräte nicht mehr nachteilig
beeinflussen kann. Die Spule 12 und das ringfÖrmige Gehäuse 14 definieren einen
zentralen Aufnahmeraum '16 für ein zu verformendes Werks . tück
18. Das Werkstück 18 wird-dann verformt, wenn ein Strom hoher Intensität
durch die Spule 12 fließt..Gemäß Figur 2 hat
das Werkstück
18 vor seiner Verformung die Form eines Rohrzylinders, welcher aus elektrisch
leitendem Material besteht. Nach seiner Verformung weist der Rohrzylinder in seinem
mittleren Bereich eine Einschnür-ung auf. (Fig.1) Die erfindungsgemäße Einrichtungist
so ausgebildet, daß unmittelbar angrenzend an die äußere Oberfläche des Werkstückes
in dem zwischen Werkstück und Spule befindliehen Spalt ein Magnetfeld hoher Intensität
erzeugt_ wird.
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Um Energieverluste im Magnetfeld auf Grund von im Gehäuse 14 induzierten
Wirbelströmen auf ein Minimum zu reduzieren, wird das Magnetfeld im Spalt zwischen
Spule und Gehäuse auf eine geringere Magnetflußdichte eingestellt, als im Spalt
zwischen Werkstück und Spule.
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Gemäß den.beiliegenden Figuren wird dies dadurch erreicht, daß man
im Spalt zwischen Spule und Gehäuse einen Magnetflußverlauf (flux path) mit geringerem
magnetischen Widerstand (reluctance) vorsieht, als im Spalt zwischen Spule und Werkstück.
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Die Spule 12 ist zylindrisch ausgebildet; sie ist aus einem flachgewalzten
(Figur 2) Berylliumdraht hergestellt, welcher um eine
Isolatorröhre 22 gewickelt ist. Die Isolatorrähre weist an ihrer äußeren Oberfläche
eine
schraubenförmig -verlaufende Rinne 24 auff Die .Berylliumdrahtwicklung 20 ist nicht
ganz so lang wie die Isolatorröhre 221 sie erstreckt sich deshalb nicht bis zu den
Enden der Isolatorr-Uhre 22ao, daß zwischen den Enden der Spule und den Endplatten
der Einrichtung ein Feldlinienverlauf mit geringem magnetischen Widerstand möglich
ist* Wenn das Werkstück 18 in die erfindungsgemäße Einrichtung eingeführt
ist, dann ist es von der Isolatorröhre 22 und zugleich von der Spule 12 umschlosseno
Die Stärke der leolatorröhrenwandung bestimmt die Breite des Spalten zwischen Spule-
und Verkatücke Wie schon-erwähntg ist es wünschenswert, daß unmittelbar grenzendan
die Oberfläche den Werkstücken im-Bereiah des zu verformenden Teiles eine-maximale
Magnetfluß-'dichte herrscht und daß folglich die lErolatorröhre 22 innerhalb der
Spule angrenzend an das Werkstüok einen Feldlinienverlauf hohen magnetischen Widerstandes
schafft gegenüber dem Peldlinienverlaufg welcher von dem außerhalb der Spule befindlichen
Material gebildet ist* Der Isolator 22 weist relativ dünne'Wände aufg so daß die
Querechnittsfläohe den Spalten zwischen Spule und Werkstück im Vergleich zur Querschnittafläohe
den Spaltes zwischen Spule und den sie-umgebenden Teilen2den Gehäusen 14 relativ
klein ist*
Die äußere Oberfläche der Spule 12 ist von einem äußeren
Isoliermaterialmantel 26 umschlossen. Dieser äußere Isoliermaterialmantel
weist im Vergleich zum inneren Isolator 22 einen geringen Magnetwiderstand auf,
so daß die Magnetflußdichte angrenzend an das Gehäuse 14, d.h. im.Spalt zwischen
Spule und Gehäuse gering und der Energieverlust auf Grund von in dem Gehäuse induzierten
Strömen auf ein Minimum reduziert ist. Auf Grund dieser Überlegung ist der Isoliermaterialmantel
26
im Vergleich zum Isolator 22 relativ dickwandig ausgebildet so daß der
Spalt zwischen Spule und Gehäuse eine größere Querschnittsfläche aufweist, als der
Spalt zwischen Spule und Werkstück. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß der
Isoliermaterialmant'el 26 einige Male stärker ist als der Isolator 22.
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Die zylindrisch ausgebildete Baugruppe, bestehend aus dem inneren
Isoliermaterialmantel 26, der Spule 12 und dem inneren Isolator 22, ist innerhalb
einem Riingelement 28 untergebracht. Dies-es Ringelement 28 bildet
den mittleren Teil des Gehäuses 14 und besteht aus einem starken, elektrisch.leitenden
Material, beispielsweise aus Stahl. An sich gegenüberliegenden Seiten des Ringelementes
28 befinden sich halbringförmige Vorsprünge 29,
welche mit noch näher
zu beschreibenden Endplatten in Eingriff stehen. Diese Anordnung ist am besten geeignet,
den Magnetfluß im Gehäuseinneren 14 zu halten.
Das Ringelement
28 dient als Sohutzring für die Spule und als Abschirmung von. in der Nähe
der Spule angeordneten Geräten gegenüber dem von der Spule erzeugten Magnetfelde
Schließlich dient das Ringelement 28 noch als Träger der Spuleg die sich
infolge der während den Verformungsvorgangen auf sie einwirkenden Reaktionskräfte
zu expandieren sucht* Die aus der Reaktion zwischen dem Magnetfeld der Spule und
den im Ringelement 28 unvermeidbar induzierten Wirbeletrömen herführenden
Kräfte wirken bis zu einem gewissen Grad den Kräften entgegeng welche auf Grund
der Reaktion zwischen dem Xagnetfeld. und den im Werkatüok induzierten Strömen auftreten.
Die resultierende nicht kompensierte äußere Kraft an der Spule wird vom Ringelement
28 aufgenommen* Gemäß den beiliegenden Figuren ist die Spule 12 so aus» gebildet#
daß die sich gegenüberliegenden Enden des
Drahtea 20 in Flucht mit dem Spulenumfang
(eiroumfereutial alignment) jedoch innerhalb der Isolatoren 22 und 26 liegene
Der Abstand der Drahtenden von den Indplatten des Gehäuses 14 schafft einen Feldlinienverlauf
(path of low reluctance) geringen Widerstandeso Jedes'der Spulenenden steht in Eingriffm'it
einem elektrischen Kontaktglied 30t welchen Teil einer Kontaktan" ordnung 32-ist..
Die
Kontaktglieder 30 sind als flache elektrisch leitende Kontaktfahnen ausgebildet,
welche an einem Ende einen gebogenen Kontaktwulst 31 aufweisen. Dieser Kontaktwulst
31 urstreckt sich quer zur Kontaktfahne 30
nach außen und steht in
Eingriff mit einem Ende der Spulenwicklung 20. Jede Kontaktanordnung 32 umfaßt
eine innere-Isolierplatte 34e eine mittlere IsolierPl-attg 36
sowie eine äußere
Isolierplatte 38. Jede dieser Platten ist im allgemeinen kreisförmig ausgebildet
und weist an einem Ende eine Verlängerung auf, welche über das Ringelement
28 vorsteht und eine Abstützung für die Kontaktfahne 30 bildet, wenn
die Einrichtung, wie in Figur 1 gezeigt zusammengesetzt ist. Die sich gegenüberliegenden
Ränder dieser Platten sind außerdem entsprechend der Form der halbringförmigen Vorsprünge
29 des Ringelementes 28 ausgebildet, Jede dieser Platten weist ein
Loch 40 auf, durch welches das Werkstück 18 ins Spulenzentrum eingeführt
werden kann.
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Die innerste Isolatorplatte 34-steht in Kontakt mit einer Stirnfläche
des Ringelementes 28 unmittelbar angren-zend an die entsprechenden Enden
der Isolatoren 22 und 26;
sie ist jedoch in Abstand von dem entsprechenden
Ende der Spule 12 angeordnet und weist einen bogenförmigen Schlitz 42 auf, welcher
einem Ende der Spule 12 benachbart-liegt. Der Kontaktwulst 3,1 des Kontaktgliedes
30
durchsetzt den Schlitz 42 und erfaßt ein Ende der Spulenwicklung
20.
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Durch diese Anordnung-wird-das Kontaktglied-130-gegign radia:le Verschiebung-gesIchert,
gegehüber dem Gehäuse 14 isoliert und dennoch mit der Spule 12 leitend verbunden.
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Die-mittlere Isolatorplatte 36 ist mit einem länglich-en Radialschlitz
44 versehen, welcher den vom gebogenen Schlitz 42 abgewandteii Teil des- Kontaktwulstes
31 aufnimmt, Die äußere Isolatotplatte 38 überdeckt die von der
21- atte 34 abgewandte Seite der-Mittleren Isolatörplatte 36-'
und
isoliert die Außenseite des Kontaktgliedes 30, welches zwischen die Platten
eingelegt ist und deren obere Ränder überragt, so daß der Anschluß an eine Quelle
hohen elektrischen Potentials leicht hergestellt werden kann. Zum Zwecke des leichten
Anschließens der erfindungsge--mäßen Einrichtung an eine solche Quelle, iBt an den
Kontaktgliedern 30 (Figur 1) eine Kupplungsvorrichtung mit geringem
induktivem Widerstand vorgesehen. Diese Kupplungsvorrichtung umfaßt ein Paar von
relativ st arken Zuführungsschienen 46, deren jede mit der Innenfläche
eines
Kontaktgliedes 30 in Berührung ist. Die ZuführungsschienEn46 sind in geringem
Abstand von einander und vom Außenumfang des Ringelementes 28 angeordnet.
In den sich auf Grund dieser Anordnung ergebenden Zwischenräumen befindet sich ein
geeignetes Isoliermaterial.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ist an ihren beiden Enden durch beispielsweise
aus Metall bestehende Abschlußplattbn 48 abgeschlossen. Jede dieser Abschlußplatten
48 liegen an einer äußeren Isolatorplatte 38
sowie an einem der-halbringförmigen
Vorsprünge 29 des Ringelementes 28 an. Die Abschlußplatten 48 weisen
Löcher 52 auf. Schrauben 50 durchsetz-en.diese Löcher 52
der
Abschlußplatten und greifen in Gewindebohrungen 54 an sich gegenüberliegenden Stirnflächen
des Ringelämentes 28 ein. Wenn aus Sicherheitsgründen erwünschte kann eine
der Abschlußplatten 48 separat geerdet werden. Es
wird noch erwähnt, daß diese
Abschlußplatten in einigeift Abstand von den Enden der Spule 20 angeordnet sind,
was die Bildung eines Magnetflußverlaufes geringen Widerstandes zwischen Spulenenden
und Abschlußplatten erleichtert.
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Wird ein Stromstoß hoher Amplitude über die Kontaktglieder
30 in die Spule 12 geschickt, so baut sich ein expandierendes Magnetfeld
aufg welches in der Oberfläche
des länglichen, hohlen Werkstückes
18 Wirbelströme induziert. Die Wechselwirkung zwischen dem induzierten. Strom
und dem Magnetfeld erzeugt eine das Werkstück gemäß Fi gur 1 verformende
Kraft.
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Bei der in den Figuren-dargestellten Ausführungsform der Erfindung
schützt das Gehäuse 14 die Spule 12 vor Beschädigungen', schirmt in der Nähe angeordnete
Instru" mente gegenüber dem Magnetfeld ab und dient glei,chzeitig als Spulenträger.
Die spezielle Anordnung der einzelnen Teile der Einrichtung reduziert die Energieverluste
im Magnetfeld auf ein Minimum.