DE1947321C2 - Verfahren zum Ausüben einer Kraft auf einen elektrisch leitenden Werkstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Verfahren ist bei einer Motorstarteinrichtung bekannt (US-PS 30 71 717), die Thyristorschalter verwendet. Zwar soll der eine Thyristor die Halbwellen einer Polarität und der andere Thyristor die Halbwellen der anderen Polarität leiten, wodurch ein Wechselstrom der Starteinrichtung jedesmal dann zuführbar ist, wenn die Thyristoren in der ihnen eigenen Richtung leiten. Somit sollen einer ersten und einer zweiten Wicklung jeweils nur die gleiche 60-Hz-WeHe zugeführt werden, Die Wicklungen sind im Motor angeordnet, um eine bestimmte geeignete Phasenbeziehung, ggf. auch gleiche Phase, zu erreichen. Andererseits kann in der

Praxis die Steuerung nicht so wie erwünscht erfolgen.

Ein Thyristor kann nämlich durch einen Nullstrom nicht durchgeschaltet werden, vielmehr ist ein Strom, der größer als Null ist, dazu erforderlich. Im Schaltaugenblick tritt daher stets ein schneller Anstieg der durch den Thyristor geschalteten Leistung auf, wodurch in der zweiten Spule ein schnell ansteigendes Feld erregt wird.

Eine Phasenverschiebung wird bei einem bekannten

ähnlichen Verfahren (DD-PS 52 716) durchgeführt.

to Wesentlich bei den bekannten Verfahren ist, daß die von den verschiedenen Spulen ausgeübten Kräfte auf unterschiedliche Punkte bzw. Bereiche des leitenden Werkstoffs einwirken, da nämlich dieser durch diese Kräfte in Drehung bzw. Bewegung versetzt werden soll.

Es ist Aufgabe eier Erfindung, ein Verfahren der eingangs bekannten Art so auszubilden, daß größere Kraftwirkungen möglich sind.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Die Erfindung wird durch die Unteransprüche weiter gebildet

Die Erfindung gibt ein Verfahren an. bei dem die von den Spulen ausgeübten Kräfte auf den gleichen Bereich des leitenden Werkstoffs einwirken, wobei die Phasenbeziehung und die Orientierung dieser durch Magnetfelder erzeugten Kräfte bestimmen, ob die resultierende Summenkraft, die sich aus den beiden durch die Spulen bzw. die Magnenelder erreichten Einzelkräften ergibt eine Anziehungskräaft oder eine Abstoßungskraft ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren erschließen sich neue Anwendungsgebiete. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar, um elektrisch leitende Teilchen, die magnetisch leitend oder nichtleitend sein können, aus einem fließenden, nichtleitenden Medium, wie Gas oder Flüssigkeit, zu entfernen, um Metallgegenstände oder andere elektrisch leitende Gegenstände abzuscheren und um nach Art einer Schlageinrichtung Metallgegenstände oder andere elektrisch leitende Gegenstände zu verformen, wobei im letzteren Fall der Gegenstand mittels einer genau -eproduzierbaren Kraft sowohl deformiert als auch geformt werden kann, um so eine Belastungsprüfung oder eine nichtzerstörende Werkstoffprüfung von Metall-Verbundgegenständen u. dgl. vorzunehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mittels einer Vorrichtung durchgeführt, die im wesentlichen zwei Spulen aufweist, die von jeweils einer Stromquelle versorgt sind. Durch die eine Stromquelle wird ein Magnetfeld erzeugt, das eine Skineffekt-Eindringtiefe hat, die größer als die Abmessung des leitenden Werkstoffs in Richtung der Feldeinrichtung ist, während die andere Stromquelle einen plötzlich ansteigenden periodischen oder impulsförmigen Strom abgibt, wodurch in der damit verbundenen Spule ein schnell ansteigendes Magnetfeld erzeugt wird, das eine Skineffekt-Eindringtiefe hat. die geringer als die Abmessung des leitenden Werkstoffs ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. I schematisch eine das erfindungsgemäße Verfahren anwendende Wirbelstrom-Vorrichtung zur Entfernung leitender Teilchen aus einer Aufschlämmung!

F i g- 2 eine graphische Darstellung einer Sinuswelle zur Erzeugung eines langsam ansteigenden Magnetfeldes und einer Rechteckwelle zur Erzeugung eines schnell ansteigenden Magnetfeldes für die Vorrichtung

gemäß F i g. 1;

F i g. 3 schematisch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer elektromagnetischen Abscher- oder Verformungsvorrichtung;

F i g. 4 schematisch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Werkstoffprüfung;

F i g. 5 den bevorzugten Verlauf von Impulsmagnetfeldern für das erfindungsgemäße Verfahren bei den Anwendungen gemäß den F i g. 3 und 4.

Fig. 1 zeigt eine Wirbelstrom-Vorrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren anwendet und mit der eine Kraft auf einen elektrisch leitenden Werkstoff ausgeübt wird, wobei der elektrisch leitende Werkstoff hier aus Teilchen 42' besteht, die in einem nichtleitenden Medium suspendiert sind, wobei dieses Medium ein Flüssigkeitsträger oder ein Gasträger sein kann. Zwei sich periodisch mit der Zeit ändernde Magnetfelder werden in einer noch näher erläuterten Weise erzeugt und wirken auf das Medium bzw. die Teilchen ein, wobei die Phasenbeziehung und die Orientierung der Magnetfelder in bezug aufeinander bestimmen, ob die durch die Magnetfelder erzeugte Summenkraft zur Magnetfeld-Quelle hingerichtet oder von dieser fortger.chtet ist.

Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Wirbelstrom-Vorrichtung enthält einen nichtleitenden üehälter 37 mit einer Einlaßleitung 42 zur Aufnahme einer Aufschlämmung. Aus dieser Aufschlämmung sollen die elektrisch leitenden Komponenten bzw. Teilchen 42', die magnetisch oder nichtmagnetisch sein können, entfernt werden. Ein langsam ansteigendes Magnetfeld gemäß der Sinuswelle 40 (F i g. 2) wird mittels einer von einer Stromquelle 36 erregten Spule 38 erzeugt, während ein schnell ansteigendes Magnetfeld gemäß der Rechteckwelle 41 (F i g. 2) durch eine von einer Stromquelle 43 erregten Spule 39 erzeugt wird, wobei die beiden Magnetfelder auf die Aufschlämmung bzw. die darin enthaltenen elektrisch leitenden Teilchen 42' einwirken. Auf diese elektrisch leitenden Teilchen 42', die kleine Metallteilchen sein können und die sich in eier Aufschlämmung befinden, wird eine Kraft so ausgeübt, daß sie r Richtung des Pfeils A bewegt werden, so, daß diese Teilchen 42' aus dem Behälter 37 durch einen Auslaß 44 austreten. Die Aufschlämmung, aus der die elektrisch leitenden Teilchen 42' abgetrennt sind, tritt durch einen Auslaß 45 aus. Die auf irgendeines der elektrisch leitenden Teilchen 42' ausgeübte Kraft kann (Fig. 1} nach links oder nach rechts gerichtet sein, und zwar abhängig davon, ob die Sinuswelle 40 gegenüber der Rechteckwelle 41 voreilt oder nacheilt, und abhängig von der relativen Orientierung bzw. Lage der Spulen 38 und 39. Anrters als bei Vorrichtungen, die kein Durchdringungsfeld oder Hintergrundfeld erzeugen oder dir* ein kontinuier'iches Hintergrundfeld erzeugen und bei denen das zeitlich veränderliche Magnetfeld asymmetrisch sein muß, um eine in einer Richtung srverlaufende Kraft zu erzeugen, wird bei der Erfindung, obgleich symmetrische Magnetfelder verwendet werden, eine in einer Richtung verlaufende Summenkraft erzeugt. Die Kraft weist einen maximalen Wert auf, so daß der Zeitpunkt, in dem die Ändeiungsgeschwmdigkeit maximal ist, mit dem Zeitpunkt zusammenfällt, in dem das Magnetfeld maximal ist. Deshalb erreichen die induzierten Wirbelströme ihren Maximaiwert zu einer Zeit« zu der das Magnetfeld maximal ist, wodurch eine optimale Ausnutzung der potentiell zur Verfügung stehenden Einzelkräfte erfolgt. Da das Hintergrundfeld öder das sogenannte Durchdringungsfeld lediglich iür einen kurzen Augenblick benötigt wird, stellt die Verwendung von hochintensiven gepulsten Magnetfeldern eine wesentliche Leistungseinsparung gegenüber einem kontinuierlichen Durchdringungsfeld oder Hintergrundfeld dar. Zusätzlich ist, wie noch erläutert wird, die Anstiegszeit des sich ändernden Magnetfeldes systematisch an den Gegenstand anpaßbar, auf den eingewirkt werden soll, und zwar derart, daß die jeweils geeignete Skineffekt-Eindringtiefe der induzierten Wirbelströme erreicht wird.

Bei der Erfindung weist das schnell ansteigende Magnetfeld, das periodisch oder impulsförmig sein kann, eine Eindringtiefe in Richtung der Feldeindringung auf, die kleiner oder gleich der charakteristischen Abmessung des Gegenstandes ist, auf den eingewirkt werden soll, während das langsam ansteigende Magnetfeld eine Eindringtiefe in Richtung der Feldeindringung aufweist, die wesentlich größer ist, als die Abmessung des Gegenstandes, auf den eingewirkt werden soll. Die beiden impulsförmigen oder periodischen Magnetfelder weisen eine derartige zeitliche Beziehung zueinander auf, dak sie eine geeignete Phasenverschiebung haben, die beim dargestellten Ausführu. ^sbeispiel π/2 beträgt, und zwar voreilend oder nacheilen.:, so daß hier der plötzliche Anstieg mit dem Maximalwert oder dem Minimalwert der Sinuswelle zusammenfällt, wobei die Magnetfelder weiter eine entsprechende räumliche Beziehung zueinander aufweisen, um eine maximale Kraft in der gewünschten Richtung zu erzeugen.

Das in F i g. 2 dargestellte Wechselmagnetfeld gemäß der Sinuswell 40 weist eine Eindringtiefe auf, die größer ist als die Querschnittsabmessungen der elektrischen Teilchen 42'. Die Frequenz der Stromquelle 36 liegt üblicherweise im unteren Tonfrequenzbereich. Das Wechselmagnetfeld gemäß der Rechteckwelle 41 mit einer Amplitude, die vorzugsweise kleiner ist als die des Sinus-Wechselmagnetfeldes 40 ist, und mit einer Phasenverschiebung von π/2 gegenüber dieser, erzeugt zusammen mit dem Sinus-Wechselmagnetfeld 40 eine Summenkraft, die auf die Teilchen 42' einwirkt, die wesentlich größer ist als diejenige, die z. B. durch ein Einzel-Wirbelstromfeld erzeugt werden kann, das von einem Strom erzeugt wird, der eine Frequenz im oberen Tonfrequenzbereich aufweist, wobei dieser Strom entweder der Spule 38 oder der Spule 39 zugeführt wird. Die Rechteckwelle 41 wird von der Spule 39 zugeführt, die von der Stromquelle 43 erregt wird, und zwar mit der gleichen Frequenz wie die Sinuswelle 40. Die Rechteckwelle 41 ist eine sich plötzlich ändernde bzw. sehr schnell ansteigende Welle und weist eine Eindringtiefe auf, die geringer ist als die charakteristischen Abmessungen der Teilchen 42'.

Der beschriebene Doppelimpuls ist insbesondere vorteilhaft, um höhere Impulskräfte in elektromagnetischen Schlagwerker, und dergleichen zu erzeugen, als cl.es hier erreichbar war, um elektrisch leitende Platten zu deformieren oder zu durchstoßen oder um eine elektromagnetische Abscherung von Metallmhren durchzuführen, wie beispielsweise eines Rohrs 59 gemäß Fig. 3. Bei Abschergeräten kann der langsam ansteigende (z. B. Sinus-)Feldstrom einer zweiteiligen Spule 58 zugeführt werden und kann der Rechteckwellen-Feldstfom der Wicklung 60' eines Flußkonzentra= tors 60 zugeführt werden, der zwischen den beiden Teilen der Spule 58 angeordnet ist. Die konzentrierten Flußlinien sind durch die Volumen 61 dargestellt und die Abscherlinien d°,s Rohres 59 sind durch die Strichlinien 62 dargestellt. Elektromagnetische Schlagwerke können ähnliche Spulenanordnungen zur Konzentrierung des

Flusses aufweisen. Die auf die leitende Platte oder das leitende Rohr ausgeübte Summenkraft kann in der einen Richtung oder in der anderen Richtung verlaufen, und zwar entsprechend der Phasenbeziehung und der Orientierung der gepulsten oder periodischen Magnetfelder, wie das erläutert worden ist, wobei jeder Impuls eine Halbperiode der Magnetfelder gemäß der Sinuswelle 40 bzw. gemäß der Rechteckwelle 41 sein kann, die beispielsweise durch zwei Kondensatorblöcke mittels geeigneter Umschaltung erzeugt werden könne'». Jeder Rechteckwelienimpuls kann dabei durch einen schnell ansteigenden und langsam abfallenden Stoßimpuls ersetzt sein, um höhere Kräfte zu erzeugen.

Die Erfindung kann jedoch auch verwendet werden, um Metall bzw. einen anderen elektrisch leitenden Werkstoff entweder elastisch oder plastisch zu deformieren, und zwar entweder in einer Richtung von der die Wirbelströme erzeugenden Vorrichtung fort oder in einer Richtung zu dieser Vorrichtung hin, wie es bereits erläutert worden ist, derart, daö die Sumrnenkfaff, die ausgeübt wird, eine Abstoßungskraft oder eine Anziehungskraft bezüglich der Spulen sein kann.

Eine besonders wichtige Anwendung, die bisher nicht verwirklicht werden konnte, ist in Fig.4 dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Werkstoffprüfung durch Probebelastung einer leitenden Haut 48, die mit einem nichtleitenden Trägerbauteil 49 verbunden ist* wie beispielsweise der Aluminium- oder Titanhaut eines Flugzeuges oder eines Raumfahrzeuges, die mit Bauteilen oder mit Wabenversteifungswänden verbunden ist. Durch diese zerstörungsfreie Werkstoffprüfung soll festgestellt werden, ob ein Klebstoff oder eine andere Bindung einer bestimmten minimalen Kraft widersteht, ohne daß ein Zugang zum Inneren des Bauteils erforderlich ist. In F i g. 4 sind die Bauelemente, die gleiche Funktionen ausfüllen, wie die in Fig.3, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die in Fig.4 dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist Spulen 58 zur Erzeugung des langsam ansteigenden Durchdringungsfeldes und eine davon getrennte Wicklung 60' mit einem FluBkonzentrator 60 zum Erzeugen des schnell

ίο ansteigende Wirbelströme induzierenden Magnetfeldes auf. Ferner weist die Vorrichtung die Stromquellen 36 und 43 für die langsam bzw. schnei! ansteigenden Signale zur Induzierung der entsprechenden Magnetfelder auf. Die Haut 48 ist in F i g. 4 zu einer abgehobenen ringförmigen Blase deformiert, was eine schlechte Bindung zwischen der Haut 48 und dem Trägerbauteil 49 anzeigt. Es kann vorteilhaft sein, eine (nicht dargestellte) Flußabschirmung zwischen den beiden Spulen vorzusehen, um die induktive Kopplung zwischen den Spulen zu verringern. Der impuls 46 in Fig.5 ist derjenige Impuls, der die Dufchdringüngsfunktion erreicht, wie das Magnetfeld gemäß der Sinuswelle 40 in F i g. 2, und der schnell ansteigende und langsam abfallende Stoßimpuls 47 in Fig.5 übt die

Wirkung der Rechteckwelle 41 in F i g. 2 aus, mit dem Unterschied, daß F i g. 5 durch Einzelimpulse erzeugte Magnetfelder und nicht wie in Fig.2, periodische Magnetfleder darstellt. Die Impuls-Magnetfelder gemäß Fig.j sind insbesondere zur Erzeugung von Schlagkräften vorteilhaft, die bei Abscher- und Schlagfunktionen erforderlich sind, wie das in Verbindung mit den F i g. 3 und 4 erläutert worden ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Ausüben einer Kraft auf einen elektrisch leitenden Werkstoff mittels zweier Spulen, von denen eine ein langsam ansteigendes und die andere ein hierzu phasenverschobenes steil ansteigendes Magnetfeld erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Spulen erzeugten Einzelkräfte im gleichen Bereich wirken, und

daß die Eindringtiefe des langsam ansteigenden Magnetfelds größer und die des steil ansteigenden Magnetfelds kleiner als die Abmessung des elektrisch leitenden Werkstoffs in Feldrichtung ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das langsam ansteigende Magnedfeld mittels eines Sinusstroms und das steil ansteigende Magnetfeld mittels eines Rechteckstroms erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Rechteckstroms kleiner als die des Sinusstroms ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das langsam ansteigende Magnetfeld mittels eines langsam ansteigenden Impulsslroms und das steil ansteigende Magnetfeld mittels eines steil ansteigenden Impulsstroms erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme gleiche Frequenz besitzen und die Phasenverschiebung ± π/2 beträgt.

6. Verehren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der steil ansteigende Impulsstrom eine spitzenförmige, langsam abfallende Flanke aufweist

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei der Entfernung leitender Teilchen aus einem nichtleitenden Medium.

8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei der Verformung und/oder Abscherung von rohr- oder plattenförmigen Leiterwerkstoffen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anwendung nach Anspruch 8 das schnell ansteigende Magnetfeld konzentriert wird.

10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei der zerstörungsfreien Prüfung der Haftung zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Werkstoff.