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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines
relativ zu einer Achse symmetrischen Bauteilabschnitts aus elektrisch
leitendem Material, insbesondere eines zu einem Werkzeugspannfutter
gehörenden
Hülsenabschnitts
mit einer Aufnahmeöffnung
zum Halten eines Werkzeugs durch Pressverbund.
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Es
ist allgemein bekannt, Bauteile, insbesondere solche Bauteile, die
relativ zu einer Achse rotationssymmetrisch sind, mittels induktiv
erzeugter Wirbelströme
zu erwärmen – beispielsweise
zum Anlassen, Tempern oder Oberflächenhärten des Bauteils. Ebenfalls
ist es bekannt, den Schrumpfverband eines eine Welle oder einen
Schaft im Presssitz umschließenden
Hülsenteils,
beispielsweise eines Lagerrings, induktiv zu erwärmen und damit so weit aufzuweiten, dass
der Hülsenteil
von der Welle gelöst
werden kann.
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Schließlich ist
es auch bekannt, den zylindrischen Schaft eines rotierend anzutreibenden
Werkzeugs, beispielsweise eines Bohrers oder Fräsers, in eine im Wesentlichen
zylindrische Aufnahmeöffnung einzuschrumpfen,
die zu diesem Zweck im Regelfall in einer Partie des Werkzeughalters
vorgesehen ist, die als Hülsenab schnitt
bezeichnet werden kann. Dieser Werkzeughalter kann integraler Bestandteil einer
Maschinenspindel sein. Er kann andererseits aber auch einen Kupplungsabschnitt
aufweisen, beispielsweise in Form eines konischen Endabschnitts, mit
dem er an der Arbeitsspindel befestigt wird.
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Um
den Schaft einschrumpfen zu können,
d. h. einen Pressverbund zwischen dem Hülsenabschnitt des Werkzeughalters
und dem Werkzeugschaft herstellen zu können, hat der Innendurchmesser
der Aufnahmeöffnung
bezogen auf den Schaftdurchmesser der erfindungsgemäß einzuspannenden
Werkzeuge Untermaß.
Zum Einsetzen oder Entnehmen des Werkzeugschafts wird der Hülsenabschnitt
erwärmt,
bis der Innendurchmesser der Aufnahmeöffnung temperaturbedingt so
weit aufgedehnt ist, dass der Werkzeugschaft eingesetzt oder entnommen
werden kann. Nach dem Erkalten ist zwischen dem Hülsenteil
und dem Werkzeugschaft ein Pressverbund gegeben.
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Eine
Vorrichtung zum Lösen
und Herstellen eines Pressverbunds zwischen einem Werkzeughalter
und einem Werkzeugschaft ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster 200
08 675 bekannt. Diese, ebenfalls induktiv arbeitende, jedoch vom
Grundsatz her einem anderen Prinzip folgende Vorrichtung nutzt ein
Längsfeld.
Die Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass der zu erwärmende Hülsenabschnitt
des Werkzeughalters in das Zentrum einer ihn kreisförmig umgebenden
Induktionsspule eingebracht wird. Dabei wird der Hülsenabschnitt
dadurch im erforderlichen Maß mit
dem wirbelstrominduzierenden Magnetfeld beaufschlagt, dass die Induktionsspule
an ihrer dem freien Ende der Hülsenpartie
benachbarten Stirnseite von einem eine zentrale Durchtrittsöffnung für das Werkzeug
aufweisenden Polschuh aus magnetisch leitendem und elektrisch nicht
leitendem Werkstoff übergriffen
ist. Dieser Polschuh weist eine zentrale Öffnung für den Durchtritt des Werkzeugs
auf, die so bemessen ist, dass das Werkzeug durch diese Öffnung hindurchtreten
kann, andererseits aber der Polschuh im Bereich dieser Öffnung auch
am Hülsenabschnitt
des Werkzeughalters anliegt.
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Nun
sind in der Praxis mit einer solchen Vorrichtung Werkzeughalter
sehr unterschiedlicher Größen zu bearbeiten,
nämlich
Werkzeughalter zum Spannen von Werkzeugen mit einem großen Schaftdurchmesser,
die einen entsprechend großen
Durchmesser im Bereich der Hülsenpartie
aufweisen. Andererseits sind auch Werkzeuge zu bearbeiten, die zum
Spannen von Werkzeugen mit sehr kleinen Schaftdurchmessern dienen.
Diese Werkzeughalter zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen Hülsenabschnitt
mit einem sehr kleinen Durchmesser aufweisen. Daraus ergibt sich,
dass zu der vorbekannten Vorrichtung ein Satz verschiedenartiger
Polschuhe gehört
und, um einen bestimmten Werkzeughalter zu bearbeiten, ein geeignet
passender Polschuh ausgewählt
werden muss. Diese Notwendigkeit, den Polschuh auszuwechseln, beeinträchtigt jedoch
zum einen die Möglichkeit,
eine solche Vorrichtung automatisiert zu betreiben. Zum anderen
kostet, auch wenn die Vorrichtung manuell betrieben wird, das Auswechseln
der Polschuhe jeweils Zeit und stellt vor allem auch eine nicht
unbeträchtliche
Fehlerquelle dar, jedenfalls dann, wenn die Vorrichtung von angelerntem
Personal bedient werden soll. Wenn nämlich aus Unachtsamkeit oder
Faulheit nicht der richtige Polschuh für den konkret zu behandelnden
Werkzeughalter ausgewählt
wird, funktioniert entweder das Ein- oder Ausspannen nicht, oder
aber, schlimmer, der Werkzeughalter und/oder das Werkzeug werden womöglich überhitzt
und damit unbrauchbar.
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Um
die Schwierigkeiten einer solchen Konstruktion zu überwinden,
ist deswegen bereits eine ebenfalls induktiv arbeitende, aber spulenseitig
ein ganz anderes Prinzip verfolgende Vorrichtung vorgeschlagen worden.
Die entsprechende Patentanmeldung wurde unter der Nr. WO 2006/084678
A1 veröffentlicht.
Diese Vorrichtung arbeitet nach dem sog. Querfeldprinzip und wird
in der Praxis dementsprechend auch Querfeldspuleneinheit genannt.
Die Vorrichtung besteht aus einem vom Grundsatz her im Wesentlichen
rotationssymmetrischen Gehäuse,
die einen kreiszylindrischen Hohlraum umgibt. In diesen Hohlraum
wird der zu erwärmende
Hülsenabschnitt eingeschoben.
Es sind Polstücke
vorhanden, die in radialer Richtung, hin auf den Hülsenabschnitt,
beweglich sind. Auf jedem Polstück
reitet eine mit Wechselstrom speisbare Spule zur Erzeugung eines entsprechenden
magnetischen Flusses in dem betreffenden Polstück. Dabei sind die Spulen so
geschaltet, dass der magne tische Fluss von in Umfangsrichtung gesehen
benachbarten Polstücken entgegengesetzte
Richtung hat.
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Um
die Anlage in Betrieb zu nehmen, werden die Polstücke i. d.
R. soweit in radialer Richtung nach innen gefahren, bis sie an dem
zu erwärmenden
Hülsenabschnitt
anliegen. Prinzipbedingt ist keine Abschirmung des aus der zu erwärmenden
Hülsenpartie
herausragenden Werkzeugschafts erforderlich, womit die Notwendigkeit
unterschiedlicher Polschuhe entfällt.
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Unzulänglichkeiten
bei dieser Vorrichtung bestehen allerdings insoweit, als dass die
Polstücke zwar
an die unterschiedlichsten Hülsenpartien
zur Anlage gebracht werden können,
die Anlage aber bei weitem nicht in allen Fällen optimal ist. Das heißt, dass
entweder in diversen Fällen
das Potential der Anlage nicht optimal ausgeschöpft werden kann bzw., zumindest
in extremeren Fällen
die Polstücke gewechselt
werden müssen
bzw. komplizierte Polschuhe mit in sich beweglichen Teilabschnitten
einzusetzen sind, um so einen verbesserten Kontakt zu ermöglichen – so etwa
Polstücke,
die segmentweise verschiebbar sind, entfernt ähnlich wie die Zuhaltestifte
eines Sicherheitsschlosses.
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Zumindest
unter gewissen Umständen (nämlich in
Abhängigkeit
davon, wie weit die Polstücke
in radialer Richtung zusammengefahren werden müssen, um die betreffende Hülsenpartie
zu treffen) kann es bei dieser Vorrichtung zu magnetischen Kurzschlüssen zwischen
benachbarten Polstücken oder
einem Polstück
und dem Gehäuse
kommen.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen,
die mit einfachen Mitteln einen verbesserten Kontakt zwischen den
Polstücken und
insbesondere den verschiedenen Hülsenabschnitten
der diversen unterschiedlichen mit der Vorrichtung zu erwärmenden
Werkzeughalter ermöglicht und
bei der die Verluste durch magnetische Kurzschlüsse zwischen den Polstücken untereinander und/oder
einem Polstück
und dem es lagernden Gehäuse
zumindest verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Polstücke
jeweils um eine im Wesentlichen parallel zu der Symmetrieachse des
zu erwärmenden
Bauteilabschnitts verlaufende Achse (die Zustelldrehachse) drehbar
an der Vorrichtung gelagert sind, derart, dass jedes der Polstücke durch
eine Drehung um die ihm zugeordnete Zustelldrehachse in Richtung
auf den zu erwärmenden
Oberflächenbereich
des individuellen Werkstücks
zugestellt werden kann. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Vorrichtung
Mittel zur Herabsetzung unerwünschten
Kurzschluss-Magnetflusses zwischen benachbarten Polstücken und/oder einem
Polstück
und dem Gehäuse
aufweist und diese Mittel darin bestehen, dass nur ein Teil der
an der Vorrichtung vorhandenen Polstücke gleichzeitig mit Strom
beaufschlagt wird und/oder das Gehäuse zwischen Lagestellen benachbarter
Polstücke
derart in radial auswärtiger
Richtung ausgebuchtet ist, sodass die Luftstrecke zwischen dem dieser
Ausbuchtung zugeordneten Polstück
und dem ausgebuchteten Abschnitt der Gehäusewand vergrößert ist.
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Anders
als bei der bekannten Querfeld-Spuleneinheit ist die Vorrichtung
auf diese Art und Weise nicht darauf beschränkt, stets nur ein- und dieselben, schmalen
und in ihrer Kontur im Wesentlichen festgelegten Stirnflächen der
Polstücke
dem jeweiligen zu erwärmenden
Hülsenabschnitt
anzunähern,
bzw. mit ihm in Kontakt zu bringen. Vielmehr steht auf diese Art
und Weise die wesentlich größere Flankenfläche der
Polstücke
zur Verfügung,
ohne eine nur umständlich
zu bewerkstelligende Verschiebebewegung der Polstücke vorsehen
zu müssen.
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Dadurch
kann auf einfache Art und Weise ein verbessertes Zusammenwirken
zwischen der Oberfläche
der zu erwärmenden
Hülsenabschnitte
und den Polstücken
erreicht werden, gleich, ob die Polstücke (im Regelfall) an dem jeweiligen
Hülsenabschnitt
zur Anlage kommen oder diesen nur dicht angenähert werden. Soweit die Polstücke zur
Anlage an der Oberfläche
des zu erwärmenden
Hülsenabschnitts
vorgesehen sind, lassen sich zudem bei einer derartigen Gestaltung
sehr einfach weitere Maßnahmen
zur Verbesserung des Anliegens treffen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
vermag auf diese Art und Weise diverse zu einer Achse symmetrische
Bauteilabschnitte aus elektrisch leitendem Material, wie etwa rotationssymmetrische
Achs- oder Wellenabschnitte, im Prinzip aber auch Polygonabschnitte,
wie etwa achtkantige Halbzeuge oder dergl., besonders effektiv zu
erwärmen – obgleich
sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in erster Linie
beim Erwärmen
von rotationssymmetrischen Bauteilabschnitten wie den Hülsenpartien
verschiedenen Werkzeughalter einsetzen lassen.
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Bemerkenswert
ist noch, dass die Zustelldrehachse nicht in dem Sinne fest im Raum
vorgegeben sein muss, dass sich die Polstücke nur um diese Zustellachse
drehen lassen. Die Anforderungen, die die Erfindung an die Zustelldrehachse
stellt, lassen sich vielmehr auch durch Kugelgelenke oder dergleichen
erfüllen,
die nur unter anderem eine Drehung der Polstücke um die als Zustelldrehachse
definierte Achse herum zulassen, gleichzeitig aber auch noch andere
Drehbewegungen zulassen.
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Ein
entscheidender Vorteil liegt zudem ggf. darin, dass nur ein Teil
der an der Vorrichtung vorhandenen Polstücke gleichzeitig aktiv mit
Magnetfluss beaufschlagt wird (indem die Spulen, welche den Magnetfluss
in diesen Polstücken
erzeugen, eingeschaltet sind). Auf diese Art und Weise wird die
Luftstrecke zwischen aktiv mit Magnetfluss beaufschlagten Polstücken vergrößert, da
zwischen zwei solchen Polstücken
i. d. R. ein momentan inaktives Polstück angeordnet ist, d. h. ein
Polstück,
dessen Spule momentan nicht eingeschaltet ist. Bei gleicher Leistung ergibt
sich so ein höherer
Wirkungsgrad und damit eine schnellere Erhitzung der zu bearbeitenden
Hülsepartie.
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Ein
entscheidender Vorteil liegt zudem ggf. darin, dass das Gehäuse zwischen
Lagerstellen benachbarter Polstücke
(im Vergleich zu einem gegenüber
dem die Polstücke
aufnehmenden Innenraum kreisrunden Gehäuse) derart in radial auswärtiger Richtung
(bezogen auf die Symmetrieachse der bestimmungsgemäß in die
Vorrichtung eingesetzten Hülsenpartie)
ausgebuchtet ist, dass die Luftstrecke zwischen dem dieser Ausbuchtung
zugeordneten Polstück
und dem ausgebuchteten Abschnitt der Gehäusewand vergrößert ist.
Nämlich
regelmäßig derart,
dass zumindest die Luftstrecke zwischen dem Bereich des Polstücks, der
zur Anlage an die verschiedenen zu erhitzenden Werkstücke gedacht
ist, und dem Gehäuse
so weit vergrößert wird,
dass kein wesentlicher Magnetfluss unmittelbar zwischen dem besagten
Abschnitt des Polstücks
und dem Gehäuse mehr
stattfindet. Auch durch diese Maßnahme ergibt sich bei gleicher
Leistung ein höherer
Wirkungsgrad und damit eine schnellere Erhitzung der zu behandelnden
Hülsenpartie.
Dies insbesondere bei Vorrichtungen mit schwenk- anstatt radial
verschiebbaren Polstücken,
die in Folge ihrer durch die Verschwenkung bedingten Lage im Gehäuse in besonderem
Maße der
Gefahr von Verlusten durch „magnetischen
Kurzschluss" unmittelbar
zwischen dem Polstück
und dem Gehäuse
ausgesetzt sind.
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Hieran
schließt
eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung an. Diese
besagt, dass jedes der Polstücke
mehrachsig drehbar an der Vorrichtung gelagert ist, derart, dass
jedes der Polstücke durch
eine Drehung um eine ihm zugeordnete Drehachse an den zu erwärmenden
Bauteilabschnitts individuellen Werkstücks zugestellt werden und dann um
eine andere ihm jeweils (zusätzlich)
zugeordnete Drehachse so geneigt werden kann, dass es sich innig
an die Oberfläche
des zu erwärmenden
Bauteilabschnitts anlegt. Um diese Weiterbildung der Erfindung zu
realisieren, sind die bereits angesprochenen Kugelgelenke besonders
zweckmäßig. Diese
Weiterbildung der Erfindung ist für das Erwärmen von Hülsenabschnitten von Werkzeugspannfuttern
von besonderer Bedeutung. Dies deshalb, weil die Hülsenabschnitte
von Werkzeugspannfuttern nicht nur stark unterschiedliche Durchmesser
haben, sondern zudem eine konische Außenkontur, wobei der Konuswinkel
je nach Hersteller und Ausführungsform
innerhalb einer gewissen Bandbreite variieren kann.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass die Höhe
eines Polstücks
von seiner Spitze hin, zu seiner Zustelldrehachse hin zunimmt. Die
Höhe eines
Polstücks
in diesem Sinne ist die Erstreckung des Polstücks, das dieses im Wesentlichen
parallel zu seiner Zustelldrehachse hat. Hierdurch ist es möglich, dem
Umstand Rechnung zu tragen, dass die zu erwärmenden Hülsenabschnitte von Werkzeugspannvorrichtungen, die
zum Halten von Werkzeugen mit kleinen Schaftdurchmessern im Schrumpfverbund
vorgesehen sind, in Richtung der Symmetrieachse des Hülsenabschnitts
wesentlich kürzer
sind, als diejenigen von Werkzeugspannfuttern, die zum Halten von
Werkzeugen mit großem
Schaftdurchmesser dienen.
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Bevorzugt
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
so gestaltet, dass der Bereich der Polstücke, der bestimmungsgemäß an den
zu erwärmenden
Bauteilabschnitten der verschiedenen Bauteile zur Anlage kommt,
konvex gekrümmt
ist.
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Eine
andere bevorzugte Ausgestaltungsform sieht vor, dass der Oberflächenbereich
der Polstücke,
der bestimmungsgemäß an den
zu erwärmenden
Hülsenabschnitten
der verschiedenen Werkzeugspannfutter zur Anlage kommt, aus einer
Anzahl im Wesentlichen in Richtung von der Polstück-Spitze hin zur Zustelldrehachse
aneinander gereihter, diskreter Kontaktflächen besteht, von denen jede
so angeordnet und gestaltet ist, dass sie in Kontakt mit dem Hülsenabschnitt
zumindest eines der bestimmungsgemäß von der Vorrichtung zu erwärmenden, unterschiedlichen
Werkzeugspannfutter bringbar ist.
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Es
ist günstig,
die erfindungsgemäße Vorrichtung
so zu gestalten, dass die Polstücke
in Zustellrichtung um die Zustelldrehachse herum vorgespannt sind,
so dass sie sich, sobald sie in gelüfteter Position freigegeben
werden, selbsttätig
an dem jeweils zu erwärmenden
Bauteilabschnitt anlegen. Dies verhindert unbeabsichtigte Bedienungsfehler der
Vorrichtung. Die Funktion ist hier die, dass die Polstücke zum
Einführen
des bestimmungsgemäß zu erwärmenden
Bauteilabschnitts um ihre Zustelldrehachse herum gegen die Vorspannung
aufgeschwenkt werden, woraufhin der zu erwärmende Bauteilabschnitt in
die Vorrichtung eingeführt
und bestimmungsgemäß in der
Vorrichtung positioniert wird – sobald
die die Polstücke
manuell oder motorisch in ihre geöffnete Position zwingende Kraft
aufgehoben wird, legen sich die Polstücke automatisch an den jeweils
zu erwärmenden
Bauteilabschnitt an.
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Idealerweise
ist dabei die Lagerung und Vorspannung der Polstücke jeweils so ausgelegt, dass sich
die Polstücke
unter der Wirkung der Vorspannung nicht nur selbsttätig an das
jeweilige Werkstück anlegen,
sondern dabei erforderlichenfalls nach dem ersten Anlegen an das
Werkstück
unter der Wirkung der Vorspannung zusätzlich so gegenüber dem Werkstück verschwenken,
dass sich der Kontaktbereich zwischen dem zu erwärmenden Bauteilabschnitt und
dem Polstück
noch vergrößert, weil
sich die Polstücke
unter der Wirkung der Vorspannung noch um eine andere Achse drehen
und so optimal an dem zu erwärmenden
Bauteilabschnitt anschmiegen. Auf diese Art und Weise ist gewährleistet,
dass sich die Polstücke
insbesondere beim Erwärmen
von Hülsenabschnitten
der unterschiedlichsten Spannfutter stets automatisch sauber an
die verschiedenen Außenkonturen
der zu erwärmenden
Hülsenabschnitte
anlegen.
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Zweckmäßigerweise
sind sämtliche
Polstücke
mit einem Aktuator gekoppelt, mittels dessen sie gemeinsam in eine
gelüftete
Position gedreht werden können.
Der Aktuator ist vorzugsweise in Form eines verdrehbaren an einem
(ortsfesten, möglicherweise höhenverschiebbaren)
Gehäuseteil
der Vorrichtung gelagerten Steuerkranzes ausgeführt, der mit den Polstücken über ein
Hebelwerk oder eine Verzahnung gekoppelt ist und sie so bei seiner
Verdrehung gegenüber
ihren Zustelldrehachsen verschwenken kann. Ein solcher Aktuator
ist nicht nur beim manuellen Betrieb der Vorrichtung vorteilhaft,
weil er es ermöglicht,
mit einer Handbewegung alle Polstücke gleichmäßig aufzuschwenken, sondern
vor allem im automatisierten Betrieb der Vorrichtung. Denn mit dem
Aktuator lässt
sich sehr einfach ein Elektromotor, ein pneumatischer Betätigungszylinder
oder ein elektrischer Zug- oder Druckmagnet koppeln, der ihn verdreht.
Alternativ ist es natürlich
auch möglich,
jedes der Polstücke
einzeln anzusteuern. Dies etwa dadurch, dass jedes der Polstücke einen
hebelartigen Abschnitt aufweist, durch den das Polstück durch Zug
oder Druck geschwenkt werden kann, beispielsweise mittels eines
Zug- oder Druckmagneten.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung einen Messwertaufnehmer
umfasst, der die Position, an der die Polstücke am zu erwärmenden
Werk stück
anliegen, misst. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, indem der Drehwinkel
des Polstücks
erfasst wird. Dies kann direkt am Polstück erfolgen oder aber, bei
Verwendung eines Aktuators, indem die Position des Aktuators gemessen
wird – oder
am elektromotorischen, pneumatischen oder magnetischen Betätigungsorgan
für den
Aktuator ein Signal abgenommen wird, das proportional zur Position
des Aktuators und damit auch zum Drehwinkel der Polstücke ist.
Ideal ist dabei, dass die erfindungsgemäße Drehbarkeit der Polstücke um ihre
Zustelldrehachse es sehr einfach ermöglicht, auf zuverlässige Art
und Weise die Position der Polstücke
zu bestimmen. Ist die Position der Polstücke bekannt, kann dies rationell
dazu eingesetzt werden, um automatisch festzustellen, welche Dimensionen
der aktuell zu erwärmende
Bauteilabschnitt aufweist, und daraufhin passende Betriebsparameter
für die
Induktionsspulen einzustellen. Dies dient nicht nur der Energieersparnis,
sondern minimiert vor allen Dingen die Gefahr von Bedienungsfehlern.
Denn der zu erwärmende
Bauteilabschnitt wird auf diese Art und Weise automatisch so weit
erwärmt,
wie für
die Aufhebung oder Herstellung des Pressverbunds erforderlich. Eine Übererwärmung, die
den zu erwärmenden
Bauteilabschnitt oder gar das mit ihm im Pressverbund stehende Bauteil
beeinträchtigen
könnte,
wird vermieden. Zudem wird in jedem Falle die Taktzeit optimiert,
da der zu erwärmende
Bauteilabschnitt nicht unnötig
stark aufgeheizt wird und dann dementsprechend lange wieder abkühlen muss.
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Idealerweise
ist auch ein Messwertaufnehmer vorgesehen, dessen aktueller Messwert
ein Maß für eine momentan
im Bereich des zu erwärmenden Bauteilabschnitts
erreichte Temperatur ist. Dabei ist der Messwertaufnehmer vorzugsweise
ein berührungslos
messender Temperatursensor. Er ist im Regelfall auf einen Bereich
des zu erwärmenden
Bauteilabschnitts gerichtet, misst also die Temperatur des zu erwärmenden
Bauteilabschnitts unmittelbar und trifft nicht lediglich Rückschlüsse von
der Temperatur eines nur sekundär
interessierenden Bauteils auf den zu erwärmenden Bauteilabschnitt. Gerade die
berührungslose
Temperaturmessung hat den Vorteil, dass Messfehler auf Grund schlechten
Anliegens des Temperatursensors oder unerwartete Wärmeübergangswiderstände vermieden
werden.
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Vorzugsweise
weist die Vorrichtung eine Kühleinrichtung
auf, mittels derer das Wiederabkühlen
des erwärmten
Bauteilabschnitts beschleunigt wird. Die Kühleinrichtung verwendet dabei
Kühlflüssigkeit
oder Pressluft als Kühlmittel.
Das Kühlmittel tritt
idealerweise über
eine Mehrzahl von Düsen
aus und kühlt
die Oberfläche
des erwärmten
Bauteilabschnitts im Wesentlichen gleichmäßig ab. Das bedeutet, dass
der Abkühlvorgang
in jedem Falle so abläuft,
dass in dem erwärmten
und nun abzukühlenden
Bauteilabschnitt keine unzuträglichen
Spannungen durch momentan unter dem Einfluss des Kühlmittels
auftretende Temperaturunterschiede drohen.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Kühlmittel im Wesentlichen abgesaugt
wird. Soweit als Kühlmittel
Wasser oder eine andere Flüssigkeit
verwendet wird, wird diese derart fein verteilt auf den erwärmten Bauteilabschnitt
aufgespult, dass ein wesentlicher Teil der zur Kühlung eingesetzten Flüssigkeitsmenge
verdampft und dann abgesaugt werden kann. Auf diese Art und Weise
wird im Wesentlichen verhindert, dass die Vorrichtung nass wird, bzw.
größere Mengen
von Kühlmittel
nach unten abtropfen, und sich Pfützen im Bereich der Vorrichtung bilden
und/oder außerhalb
des wärmebehandelten Bauteilbereichs
liegende Abschnitte des Bauteils mit der Flüssigkeit benetzt werden und
Korrosionsgefahr besteht. Dies ist insbesondere für Werkzeugspannvorrichtungen
von Bedeutung – Werkzeugspannfutter,
die nach dem Ausschrumpfen des Werkzeugs zur nächsten Verwendung eingelagert
werden sollen, müssen
nicht erst getrocknet werden.
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Nötigenfalls
umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zum Auffangen und Ableiten
von nach unten ablaufendem oder abtropfendem Kühlwasser. Auf diese Art und
Weise wird sichergestellt, dass auch dann, wenn zuviel Kühlwasser
appliziert wird, kein unkontrollierter Kühlmittelablauf oder eine unerwünschte,
großflächigere
Benetzung anderer Bauteilabschnitte als das zu kühlende Bauteilabschnitt auftritt.
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Soweit
flüssige
Kühlmittel
zum Einsatz kommen, wird die benötigte
Kühlmittelmenge
sinnvollerweise entweder in Abhängigkeit
von der gemessenen Oberflächenendtemperatur
des erwärmten
Bauteilabschnitts oder in Abhängigkeit
von der über die Stellung
der Polstücke
ermittelten Größe des zu
erwärmenden
Bauteilabschnitts dosiert.
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Idealerweise
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
so gestaltet, dass die Polstücke
vom Kühlmittel
durchströmte
Kanäle
aufweisen, die vorzugsweise so angelegt sind, dass das Kühlmittel
erst die Polstücke
und von dort aus den erwärmten
Bauteilabschnitt kühlt.
Dies ist insbesondere für
den eng getakteten, automatisierten Betrieb der Vorrichtung von Bedeutung.
Zwar sind die Polstücke
aus elektrisch nicht leitendem Material und erhitzen sich daher
nicht unmittelbar unter dem Einfluss des von ihnen geleiteten Wechselfeldes.
Dadurch, dass die Polstücke
am Bauteil anliegen, wird ihnen jedoch vom Bauteil her Wärme zugeleitet.
Diese Wärme
wird über
die vom Kühlmittel
durchströmten
Kanäle
in den Polstücken abgeleitet,
was auch bei eng getaktetem Betrieb eine unzulässige Erwärmung der Polstücke verhindert. Ein
besonders geringer Aufwand für
die Kühlung
entsteht dabei dann, wenn die vom Kühlmittel durchströmten Kanäle so gestaltet
sind, dass das Kühlmittel
erst die Polstücke
kühlt und
von dort aus unmittelbar dem erwärmten
Bauteilabschnitt zugeleitet wird.
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Idealerweise
verlaufen die vom Kühlmittel durchströmten Kanäle in den
Polstücken
quer zu den Polstücken,
derart, dass das Kühlmittel
auf den dem erwärmten
Bauteilabschnitt abgewandten Rückseiten
der Polstücke
in die Polstücke
eintritt und auf den dem erwärmten
Bauteilabschnitt zugewandten Vorderseite der Polstücke wieder
aus diesen austritt. Dabei ist dieses Polstück vorzugsweise mit mehreren nebeneinander
angeordneten Kühlkanälen versehen,
am besten derart, dass im Wesentlichen der gesamte bestimmungsgemäß unmittelbar
mit zu erwärmenden
Bauteilabschnitten in Kontakt bringbare Bereich jedes Polstücks innerhalb
einer Kühlmittel durchflossenen
Zone liegt. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht nicht nur die effektive „Mit-Kühlung" der Polstücke, sondern
stellt insbesondere auch eine effektive und gleichmäßige Kühlung des
erwärmten Bauteilabschnitts
sicher. Denn das Kühlmittel
wird bei einer derartigen Ausgestaltung unabhängig vom Durchmesser des jeweils
erwärmten
Bauteilabschnitts stets auf kürzestem
Wege den Stellen am erwärmten
Bauteil zugeleitet, die gekühlt
werden müssen.
Dies ist gegenüber einer
unabhängig
von den Polstücken
feststehend angeordneten Kühleinrichtung
von Vorteil. Denn eine Kühleinrichtung
der letztgenannten Art bietet keine Gewähr dafür, dass das Kühlmittel
wirklich alle bestimmungsgemäß mit der Vorrichtung
erwärmten,
von ihrer Dicke bzw. Geometrie her sehr unterschiedlichen Bauteilabschnitte
jeweils optimal bestreicht.
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Vorzugsweise
ist auf den dem erwärmten Bauteilabschnitt
abgewandten Rückseiten
der Polstücke
jeweils eine Verteilerkammer aufgebracht (vorzugsweise auch dichtend
aufgeklebt oder aufgelötet),
die über
eine die Drehbewegung der Polstücke nicht
wesentlich behindernde Zuleitung zu gegebener Zeit mit Kühlmittel
gespeist wird und dann ihrerseits die Kühlmitteleintrittsöffnungen
an der Rückseite
der Polstücke
speist. Auf diese Art und Weise lässt sich die Kühlung unmittelbar
mittels der Polstücke sehr
einfach realisieren. Denn die Polstücke selbst bestehen im Regelfall
aus sehr hartem Sintermaterial, das sich schlecht bearbeiten lässt und
bei dem es Schwierigkeiten bereitet, in verschiedene Richtungen verlaufende
Kühlkanäle einzubringen,
etwa einen zentralen Verteilerkühlkanal
entlang der Längsachse des
Polstücks,
von dem aus dann quer zum Polstück andere
Kühlkanäle abzweigen.
Eine besonders praktikable Herstellungsmöglichkeit ist dabei die, dass
die Kühlkammer
zuerst auf die Rückseite
der Polstücke des
jeweiligen Polstücks
aufgebracht wird und dann die Kühlkanäle derart
in das Polstück
gebohrt werden, dass sie dieses durchdringen und so auf der Rückseite
des Polstücks
eine Verbindung zur Verteilerkammer herstellen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass die magnetfelderzeugenden Spulen und/oder die die Polstücke beweglich
haltenden Lager gegen Eindringen von Kühlmittel abgedichtet sind.
Vorzugsweise erfolgt dies jeweils in Form einer beweglichen Dichtungseinrichtung,
wie etwa eines Faltenbalges. Die Spule und/oder das Lager des jeweiligen
Polstücks ist
dann auf der vor Kühlmittelzutritt
geschützten Rückseite
der Dichtungseinrichtung angeordnet. Die Dichtungseinrichtung weist
einen Ausschnitt auf, durch den hindurch das Polstück dichtend
umgriffen in den mit Kühlmittel
beaufschlagten Bereich des zu erwärmenden Bauteilabschnitts ragt.
Im Falle eines Fal tenbalgs kann ein solcher Ausschnitt eine Öffnung in
dem Faltenbalg sein, die so ausgestaltet ist, dass sich die Ränder der Öffnung dichtend
an die Oberflächen
des durch die Öffnung
hindurchragenden Polstücks
anschmiegen.
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Idealerweise
ist die Dichtungseinrichtung als einstückiger, in Umfangsrichtung
im Wesentlichen geschlossener Dichtungsbalg ausgeführt, in
den für jedes
Polstück
ein Faltenbalg eingearbeitet ist. Auf diese Art und Weise kann der
kühlmittelbeaufschlagte
Kernbereich der Vorrichtung sehr einfach gegenüber dem Außenbereich der Vorrichtung
abgedichtet werden, zu dem kein Kühlmittelzutritt stattfinden
darf. Anzumerken ist dabei, dass der Dichtungsbalg bei einer Vorrichtung,
in die der zu erwärmende
Bauteilabschnitt von unten nach oben eingeführt wird, selbstverständlich nicht
rundum geschlossen ist, sondern oben und unten offen ist, dies nämlich in
einer Weise, dass das zu erwärmende
Bauteil von unten her in den in Umfangsrichtung im Wesentlichen
geschlossenen Bereich des Dichtungsbalges eingeführt werden kann und ggf. ein
Bauteilabschnitt (bzw. im Fall eines Werkzeugspannfutters das in
diesem im Presssitz gehaltene Werkzeug) nach oben aus dem in Umfangsrichtung
vom Dichtungsbalg umschlossenen Bereich herausragen kann. Wichtig
ist nur, dass die besagten Öffnungen
im Dichtungsbalg so ausgestaltet sind (ggf. im Zusammenspiel mit
anderen Gehäuseteilen)
dass Kühlmittel
nicht derart aus den besagten Öffnungen
austreten kann, dass es sozusagen den Dichtungsbalg umgeht, um dann
doch in Bereiche zu gelangen, zu denen kein Kühlmittelzutritt erfolgen soll.
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Eine
im Sinne der Erfindung ideale Werkzeugspannvorrichtung ist automatisiert,
arbeitet mit einer elektronischen Steuerung und umfasst einen Messwertaufnehmer,
der die Position, in der die Polstücke an der Hülsenpartie
des jeweiligen Werkzeugspannfutters anliegen, misst und in Abhängigkeit
von der gemessenen Position die individuelle Heizzeit und/oder die
Heizleistung und vorzugsweise auch den individuellen Kühlmittelzufluss
und/oder die Zeit der Kühlmittelapplikation
der Werkzeugspannvorrichtung einstellt. Dies kann dadurch erfolgen,
dass für die
gesamte Reihe der bestimmungsgemäß mit der Werkzeugspannvorrichtung
zu erwärmenden
Werkzeugspannfutter empirisch festgestellt wird, welche Heizzeit
und/oder Heiz leistung im jeweiligen Fall optimal ist. Gleiches wird
vorzugsweise auch im Hinblick auf das Kühlmittel festgestellt. Über die
gemessene Position der Polstücke
folgt dann die Zuordnung der Parameter zu dem konkret zu erwärmenden
bzw. abzukühlenden
Hülsenabschnitt
des jeweiligen Werkzeugspannfutters.
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Weitere
Vorteile, Verwendungs- und Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Die 1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Horizontalschnitt, wobei sich dieses Ausführungsbeispiel
u. a. dadurch auszeichnet, dass seine Polstücke in bestimmter Art und Weise
magnetisch aktiviert werden, um einem Kurzschluss-Magnetfluss unmittelbar
zwischen den Polstücken
entgegenzuwirken.
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Die 2 zeigt
das erste Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Teil-Seitenschnitt, so dass ein Polstück im Detail
zu erkennen ist.
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Die 3 und 4 zeigen
an Hand von Detaildarstellungen des ersten Ausführungsbeispiels die durch die
Kugelgelenke bedingte Winkeleinstellbarkeit der Polstücke.
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Die 5 und 6 zeigen
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung das mit andersartig geformten, vereinfachten Polstücken ausgerüstet ist.
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Die 7 und 8 zeigen
ein drittes und viertes Ausführungsbeispiel,
wobei sich diese Ausführungsbeispiele
dadurch auszeichnen, dass ihr Gehäuse in bestimmter Art und Weise
ausgestaltet ist, um einem Kurzschluss-Magnetfluss unmittelbar zwischen
je einem Polstück
und dem ihm nahe liegenden Wandabschnitt des Gehäuses entgegenzuwirken.
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Die 1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
die das grundlegende Prinzip der Vorrichtungen der erfindungsgemäßen Art
verdeutlicht, hier an Hand einer Werkzeugspannvorrichtung. Die Vorrichtung
sei nachfolgend kurz „Induktionsspannvorrich tung" genannt. Diese Vorrichtung
ist mit einer (nicht gezeigten) Steuerung versehen bzw. kombiniert,
die die Polstücke
in einer bestimmten, später
noch näher
zu erläuternden
Art und Weise ansteuert, so dass es nicht zu einem nennenswerten
Kurzschluss-Magnetfluss zwischen benachbarten Polstücken kommt.
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In 1 mit
der Bezugsziffer 2 gekennzeichnet ist der Querschnitt eines
Hülsenabschnitts
eines in 1 nicht näher gezeigten Werkzeughalters.
Der Hülsenabschnitt 2 ist
zur Betriebsdrehachse 3 des Werkzeughalters rotationssymmetrisch
(abgesehen von nie völlig
zu vermeidenden, toleranzbedingten aber tolerablen Unwuchten) und
weist eine Aufnahmebohrung 4 auf, in die der Schaft eines
Werkzeugs derart eingesteckt werden kann, bzw. eingesteckt ist, dass
bestimmungsgemäß ein Pressverbund
zwischen dem Werkzeugschaft und dem Hülsenabschnitt 2 besteht.
Wie derartige Werkzeughalter in der Praxis insgesamt gestaltet sind,
ist dem Fachmann bekannt und wird zudem von 2 beispielhaft
illustriert. Lediglich der Vollständigkeit halber ist anzumerken,
dass die Hülsenabschnitte
der in der Praxis gängigen
Werkzeughalter an ihrem Außenumfang
fast durchweg eine leicht konische Hüllfläche aufweisen, wobei der Kegelwinkel
der individuellen Hüllflächen in
gewissen Grenzen variieren kann, je nach Hersteller und Einsatzzweck.
Abhängig
vom Durchmesser des durch Pressverbund bestimmungsgemäß zu spannenden
Werkzeugschafts weisen die Hülsenabschnitte
deutlich unterschiedliche Durchmesser, Längen (in Richtung der Betriebsdrehachse 3)
und Wandstärken
auf – womit
sich deutliche Unterschiede in Bezug auf die im Einzelfall zu erwärmende Masse
des jeweiligen Hülsenabschnitts
ergeben.
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Um
den erforderlichen Pressverbund zwischen dem Hülsenabschnitt 2 und
dem jeweiligen Werkzeugschaft herzustellen, wird der Hülsenabschnitt 2 induktiv
erhitzt (auf ca. 450 Grad). Auf Grund von Wärmedehnung weitet er sich dabei
so weit auf, dass der kalte Werkzeugschaft trotz seines Übermaßes in die
Aufnahmebohrung eingesteckt werden kann. Mit dem Abkühlen des
Hülsenabschnitts
stellt sich dann der gewünschte
Pressverbund zwischen dem Hülsenabschnitt
und dem Werkzeugschaft ein, so dass der Werkzeugschaft verdrehfest
in dem Hülsenabschnitt
gehalten wird und das jeweilige Nenndrehmoment vom Werkzeugschaft
reibschlüssig
auf die Hülsenpartie übertragen
werden kann und umgekehrt.
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Um
den Pressverbund zu lösen
wird der Hülsenabschnitt
wieder erwärmt.
Dies erfolgt abermals induktiv. Hierbei macht man sich zu Nutze,
dass die Wirbelströme,
mit denen die Hülsenpartie
beaufschlagt wird, auf Grund des bekannten Skineffekts an der Oberfläche der
Hülsenpartie
bleiben, wodurch die Hülsenpartie
durch Wärmeleitung
von außen nach
innen erwärmt
wird. Es ist dadurch möglich,
die Hülsenpartie
auf eine Temperatur von etwa 450 Grad aufzuheizen, bevor eine wesentliche
Wärmezufuhr zu
dem in der Hülsenpartie
steckenden Schaftabschnitt des Werkzeugs erfolgt ist, so dass sich
ein kurzes Zeitfenster ergibt, innerhalb dessen der praktisch noch
kalte Schaftabschnitt des Werkzeugs aus der bereits hinreichend
aufgedehnten Hülsenpartie herausgezogen
werden kann.
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Um
die Länge
dieses Zeitfensters hinreichend groß zu machen, damit genügend Gelegenheit ist
um das Werkzeug zuverlässig
herausziehen zu können,
aber auch um lokale Überhitzungen
zu vermeiden kommt es wesentlich darauf an, die Hülsenpartie
nicht nur schnell, sondern dabei auch möglichst gleichmäßig zu erwärmen.
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Lediglich
der Vollständigkeit
halber sei erwähnt,
dass der Werkzeughalter 5 Bestandteil einer Arbeitsspindel
einer Werkzeugmaschine sein oder ein eigenständiges Bauteil mit einer Schnellkupplung an
der dem Hülsenteil
abgewandten Seite (z. B. Steilkegelkupplung oder Hohlschaftkupplung).
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Die
eigentliche Induktionsspannvorrichtung 1 besteht aus einem
hier im Wesentlichen runden Gehäuse 6,
das von 1 im Horizontalschnitt gezeigt
wird. Es ist an seiner Unterseite offen, so dass der jeweilige Werkzeughalter 5 von
unten in das Zentrum des Gehäuses
eingeschoben werden kann bzw. das Gehäuse von oben über den
jeweiligen Werkzeughalter geschoben werden kann. Eine weitere Öffnung auf
der Oberseite des Gehäuses
ermöglicht es,
dass längere
in den Werkzeughalter eingespannte Werkzeuge nach oben aus dem Gehäuse herausragen
können
und Werk zeuge von oben in den Werkzeughalter eingesetzt bzw. nach
oben aus ihm herausgezogen werden können. Selbstverständlich kann
die Induktionsspannvorrichtung ggf. auch „liegend" betrieben werden, die Schnittebene
der 1 wäre
dann eine gedachte Vertikalebene.
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Wie
in 1 zu erkennen sind am Gehäuse 6 mittels mehrachsig
drehbaren Gelenken, hier in der Form von Kugelgelenken 7,
Polstücke 11 drehbar
gehalten. Zu dem Zweck ist das Gehäuse mit (i. d. R. separat eingesetzten)
hier einstückigen
Kugelpfannen 9 ausgestattet, in die Kugelstücke 10 drehbar eingesetzt
sind. Die Kugelstücke 10 werden
durch kugelig angefaste Überwurfscheiben
mittels Schrauben an den Kugelpfannen 9 gehalten. Die Kugelstücke 10 tragen
jeweils ein Polstück 11,
das in eine Nut im Kugelstück 10 eingeschoben
ist. Über
die Kugelstücke 10 ist
den Polstücken 11 u.
a. jeweils eine Zustelldrehachse 12 zugeordnet, die – hier vollständig – parallel
zu der Betriebsdrehachse 3 des Werkzeughalters verläuft.
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Die
Polstücke
bestehen aus magnetisch gut leitendem und elektrisch nicht leitendem
Material, wie etwa den für
einen solchen Einsatzzweck bekannten Ferritwerkstoffen.
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Zweckmäßigerweise
reitet (mitdrehbar) auf jedem der Polstücke eine Induktionsspule, die
das ihr zugeordnete Polstück
mit einem Magnetfeld speist. Der entscheidende Punkt ist nun, dass
diese Induktionsspulen in bestimmter Weise angesteuert werden. Es
werden nämlich
immer nur zwei Induktionsspulen gleichzeitig eingeschaltet, und
zwar die von zwei sich diametral gegenüberliegenden Polstücken. Dabei wird
im Regelfall so vorgegangen, dass diese beiden Induktionsspulen
eine bestimmte Zeit eingeschaltet bleiben und dann wieder ausgeschaltet
werden. Gleichzeitig oder im Anschluss daran werden die beiden Induktionsspulen
des bisher inaktiven Polstück-Paares
eingeschaltet. Nach einer bestimmten Zeit werden auch diese Induktionsspulen
wieder ausgeschaltet und der Zyklus beginnt von neuem durch Aktivierung
des erstgenannten Polstück-Paares.
Auf diese Art und Weise befindet sich zwischen zwei momentan aktiven
Polstücken
immer beidseitig ein momentan nicht aktives Polstück, so dass
zwischen den beiden momentan aktiven Pol stücken immer eine vergrößerte Luftstrecke
vorhanden ist. Nämlich
eine Luftstrecke, die so groß ist,
dass es nicht (oder zumindest nicht nennenswert) zu einem Kurzschluss-Magnetfluss
zwischen den beiden momentan aktiven Polstücken kommt. Dabei wird durch
den oben beschriebenen zyklischen Wechsel der Aktivierung der Polstücke dennoch
eine sehr gleichmäßige Erwärmung erreicht.
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Das
Reiten der Induktionsspulen auf den Polstücken erleichtert deren erfindungsgemäße Drehbarkeit.
Denn bei anderweitig untergebrachten Induktionsspulen ist es relativ
schwierig bzw. deutlich aufwändiger,
die Polstücke
unabhängig
von ihrer jeweiligen Verdrehstellung mit dem erforderlichen Magnetfluss
zu beaufschlagen. Zweckmäßigerweise sind
die Induktionsspulen jeweils so ausgestaltet, dass sie als Drehwinkelbegrenzer
für die
Polstücke dienen,
aber deren Drehbarkeit ansonsten nicht beeinträchtigen.
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Um
diese Zustelldrehachse 12 können die Polstücke hin
zu dem zu erwärmenden
Hülsenabschnitt 2 des
Werkzeughalters 5 geschwenkt werden, i. d. R. so weit,
dass es zu einem ersten Anliegen der Polstücke am zu erwärmenden
Hülsenabschnitt kommt.
Sofern es mit dem ersten Anliegen im konkreten Fall (z. B. auf Grund
eines entsprechenden Kegelwinkels der zu erwärmenden Hülsenpartie) noch nicht zu einer
optimalen Anlage zwischen dem Polstück und dem zu erwärmenden
Bauteil- bzw. Hülsenabschnitt
kommt, ermöglicht
es das Kugelgelenk, dass das Polstück 11 eine zusätzliche
Schwenk- bzw. Kippbewegung ausführt.
Dies gewährleistet,
dass sich das Polstück
so gut wie im Einzelfall möglich
anlegt. Die soeben beschriebene „Winkeleinstellung" der Polstücke wird
insbesondere durch die 3 und 4 illustriert.
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Bei
alledem kommen die Polstücke,
anders als im Stand der Technik, nicht mit ihrer Stirnseite S, sondern
mit ihrer Flanke F mit dem zu erwärmenden Hülsenabschnitt in Kontakt.
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Es
liegt angesichts der 1 auf der Hand, dass der schmale
bzw. ggf. mehr oder minder linienförmige Bereich, mit dem die
Flanke F des Polstücks mit
der Mantel fläche
des zu erwärmenden
Hülsenabschnitts
in Kontakt kommt, an ganz unterschiedlichen Stellen der Flanke liegt – je nach
dem, welchen Durchmesser der aktuell zu erwärmende Hülsenabschnitt aufweist, d.
h. wie weit die Polstücke
nach innen, hin zur Betriebsdrehachse 3 des jeweiligen Werkzeughalters
schwenken müssen,
um die Oberfläche
des zu erwärmenden
Hülsenabschnitts
zu erreichen. Am Beispiel einer zweiten, mit gleichermaßen schwenkenden
Polstücken
versehenen Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
veranschaulichen dies die 5 und 6.
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Dies
ist von Bedeutung, gerade auch für
Induktionsspannvorrichtungen zum Erwärmen von Hülsenabschnitt an Werkzeughaltern.
Denn dies ermöglicht
es erstmals auf einfache Art und Weise, ohne mehrteilige oder gar
in sich bewegliche Polstücke, eine
Vielzahl verschiedener Teilflächen 13 an
den Polstücken
vorzusehen, die (bei bestimmungsgemäßem Gebrauch) jeweils nur mit
bestimmten zu erwärmenden
Bauteilen (bzw. Hülsenabschnitten
bestimmter Werkzeughalter) in Kontakt kommen und daher so optimiert
sein können,
dass sie mit diesen optimal in Kontakt kommen. Die 2 zeigt
eine Ansicht der Flanke F eines der Polstücke 11 und lässt auch
die auf der Flanke F nebeneinander angeordneten Teilflächen 13 erkennen – die mehr
oder minder ausgeprägten
Grenzen zwischen den einzelnen Teilflächen 13 sind in 2 als
gestrichelte Linien dargestellt. Vom Grundsatz gilt, dass sich die
Teilflächen (zumindest
in erster Näherung)
berechnen lassen, wenn man sich eine Schar von Hüllflächen vorgibt, die den zu kontaktierenden
Umfangsflächen
der verschiedenen bestimmungsgemäß zu erwärmenden Hülsenpartien
entsprechen und dann die Bedingung aufstellt, dass im Prinzip eine
in ihrer Lage bekannte Teilfläche
auf jeder dieser Hüllflächen bei
entsprechend gedrehtem Polstück
mit einer Teilfläche 13 des Polstücks zusammenfallen
muss. Wo Berechnungen zu aufwendig oder nicht ohne weiteres zielführend sind
(z. B. weil jede Teilfläche
ein Kompromiss aus der Abstimmung auf unterschiedliche Konturen
verschiedener Hülsenabschnitte
sein soll), können
Versuche angestellt werden, ggf. ergänzend. Dem Fachmann sind die
fachüblichen
Verfahrensweisen geläufig,
die er anwenden muss, um mit diesem Ansatz zum Ziel zu kommen.
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Die
insgesamt gesehen konvex gegenüber der
Oberfläche
des zu erwärmenden
Bauteilabschnitts gekrümmte
Form der Flanken F der Polstücke 11 unterstützt die
erfindungsgemäße Zuordnung zwischen
bestimmten Teilflächen
auf der Flanke und entsprechenden Flächen auf bestimmten Hülsenpartien.
Die insgesamt konvex gekrümmte
Form schließt nicht
aus, dass zumindest einzelne Teilflächen in sich auch konkav gegenüber dem
zu erwärmenden
Bauteilabschnitt gekrümmt
sein können,
was hier allerdings zeichnerisch nicht dargestellt ist.
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Die 2 zeigt
einen weiteren wesentlichen Vorteil der Erfindung gegenüber dem
Vorbekannten. Die erfindungsgemäße Induktionsspannvorrichtung ist
nicht auf einen höhenverstellbaren
Anschlag für das
richtige Positionieren der zu erwärmenden Hülsenabschnitte angewiesen,
sondern kommt mit einem in Höhenrichtung
unveränderlichen
Anschlag 14 aus, gegen den z. B. die stirnseitige Ringfläche des jeweils
zu erwärmenden
Hülsenabschnitts
anschlägt. Dies
deshalb, weil die Höhe
jedes Polstücks 11 von seiner
Spitze bzw. Stirnfläche
S in Richtung auf sein Kugelgelenk 7 zunimmt, zumindest
auf der Seite der mit dem Hülsenabschnitt
in Kontakt tretenden Flanke F. Der Begriff „Höhe" bezeichnet dabei die Erstreckung, die
das Polstück
in Richtung (im Wesentlichen) parallel zur Betriebsdrehachse 3 aufweist.
Die derart variable Höhe
des Polstücks
bewirkt, dass kurze, zum Spannen kleiner Werkzeugschaftdurchmesser
bestimmte Hülsenpartien
von allein wirklich nur im zu erwärmenden Bereich mit den Polstücken in Kontakt
kommen, während
lange, zum Spannen großer
Schaftdurchmesser vorgesehene Hülsenabschnitte
von allein auf hinreichender Länge
mit den Polstücken
in Kontakt kommen. Der Aufwand für
einen höhenverstellbaren
Anschlag und die durch einen solchen bedingten Fehlermöglichkeiten
entfallen also.
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Dass
der Anschlag 14 nicht höhenverstellbar ist,
heißt
allerdings nicht, dass er nicht beweglich ist – wie die 2 erkennen
lässt,
ist der (ggf. jeweilige) Anschlag 14 vorzugsweise so gelagert,
dass er mit dem ihm zugeordneten Polstück mitschwenken kann. Dabei
ist er allerdings nicht starr mit dem Polstück verbunden, sondern derart
mit Spiel mit dem Polstück
gekoppelt, dass keine Verspannungen oder Behinderungen zwischen
dem um eine räumlich
feste Achse drehbaren An schlag 14 und dem sich ggf. mehrachsig
um das Kugelgelenk 7 drehenden Polstück 11 auftreten.
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Wie
die Zusammenschau der 1 und 2 zeigt
ist eine sehr effektive und gleichmäßige Art der Kühlung vorgesehen.
Gekühlt
wird nicht nur der jeweils zu erwärmende Bauteilabschnitt. Gekühlt werden
auch die Polstücke,
d. h. die ihnen im Zuge der Erwärmung
des Bauteilabschnitts von diesem zugeleitete Wärme wird abgeführt. Zu
diesem Zweck ist jedes der Polstücke
mit einer Schar von quer orientierten Kühlkanälen 15 versehen. Auf
der dem zu erwärmenden
Bauteilabschnitt abgewandten Rückseite
der Polstücke 11 ist
in dichter Verbindung jeweils eine Verteilerkammer 16 angebracht.
Diese wird über eine
gelenkige Kühlmittelzuleitung,
vorzugsweise in Gestalt eines flexiblen Rohres oder Schlauchs, mit Kühlmittel
gespeist. Das Kühlmittel
strömt
von dort aus durch die Kühlkanäle 15 und
damit durch das Polstück 11 hindurch.
Es bestreicht von dort aus auf kürzestem
Wege den ihm nahe liegenden Bereich des erwärmten Bauteilabschnitts. Da
alle bzw. mehrere der Polstücke
auf diese Art und Weise den Bauteilabschnitt mit Kühlmittel
beaufschlagen, kommt es zu einer höchst effektiven wie gleichmäßigen Abkühlung des
Bauteilabschnitts. Schädliche,
durch ungleichmäßige Abkühlung im
Bauteilabschnitt auftretende Spannungen werden so vermieden. Als
Kühlmittel
werden zweckmäßigerweise
Pressluft, oder, noch effektiver, entsprechende Kühlflüssigkeiten
verwendet – insbesondere
auch solche, die bei der spanenden Bearbeitung ohnehin zum Einsatz
kommen und korrosionshindernd sind.
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Insbesondere
der Einsatz flüssiger
Kühlmittel
erfordert einen gegenüber
den stromführenden Teilen
und vorzugsweise auch gegenüber
den Lagern hinreichend abgedichteten Arbeitsraum. Wie die 1 zeigt,
lässt sich
eine effektive wie zuverlässige Abdichtung
dadurch erreichen, dass der Arbeitsraum 17 (also das den
zu erwärmenden
und wieder abzukühlenden
Bauteilabschnitt aufnehmende Zentrum des Gehäuses 6) durch einen
in das Gehäuse
eingesetzten, in Umfangsrichtung im Wesentlichen geschlossenen Dichtungsbalg
abgedichtet wird. An den Dichtungsbalg sind im Bereich der Polstücke 11 Faltenbälge 19 angeformt,
die die auf den Polstü cken reitenden
Spulen 20 und die Kugelgelenke 7 wirksam gegenüber dem
Arbeitsraum abschirmen.
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Zur Überwachung
der Oberflächentemperatur
des zu erwärmenden
Bauteilabschnitts sind hier zwei Infrarot-Temperatursensoren 26 vorgesehen, die
auf die Oberfläche
des zu erwärmenden
Bauteilabschnitts gerichtet sind und berührungslos dessen Temperatur
messen, 1. Alternativ oder (seltener) zusätzlich kann
an entsprechender Stelle der mit dem zu erwärmenden Bauteilabschnitt in
Kontakt kommenden Polstückseitenflanke
F ein Temperaturmessstreifen vorgesehen sein. Dieser ist so dünn oder
ggf. soweit in die Oberfläche
der Polseitenflanke eingelassen, bzw. an zurückversetzter Stelle angeordnet,
dass er nicht in einer Art und Weise aufträgt, die die saubere Anlage
der Polseitenflanke am zu erwärmenden
Bauteilabschnitt behindert.
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Die
Temperaturmessung dient zur Verhinderung unzulässiger Erwärmung, kann aber bei Bedarf als „Regelgrösse" zur regulären Beendigung
des Aufheizzyklus eingesetzt werden.
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Am
Gehäuse 6 ist
ein drehbarer Steuerkranz 21 vorgesehen. Die Polstücke weisen
jeweils nach außen,
in eine Aussparung 22 des Steuerkranzes 21 ragende
Schwenkhebel 23 auf, hier in Form von Fortsätzen an
den Kugelgelenken 7. Sobald der Steuerkranz verdreht wird
(im Ausführungsbeispiel
im Uhrzeigersinn) erzwingt er eine Drehung der Polstücke in eine
weiter geöffnete
Stellung, weg von der bestimmungsgemäßen Lage der Betriebsdrehachse 3 eines zu
erwärmenden
Bauteils. Der Steuerkranz kann dabei von einem hier nicht dargestellten
Federelement derart vorgespannt sein, dass er sich gegen den Uhrzeigersinn
in Schließstellung
dreht, sobald er losgelassen wird und dadurch die Polstücke zwangsweise an
den zu erwärmenden
Abschnitt eines neu in die Vorrichtung eingebrachten Bauteils anlegt.
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Um
einen automatisierten Betrieb der Vorrichtung zu ermöglichen
ist der Steuerkranz bei der hier gezeigten Vorrichtung motorisch
angetrieben, vgl. 1, der Motor trägt die Bezugsziffer 24.
Da die Koppelung zwischen dem Steuerkranz und den Polstücken ausgesprochen
robust ist, ist es alternativ auch möglich die Polstücke nicht
(allein) durch Federvorspannung des Steuerrings sondern aktiv an den
zu erwärmenden
Bauteilabschnitt anzulegen. Dies geht besonders gut, wenn der Motor über seine Stromaufnahme
gesteuert und damit rechtzeitig abgeschaltet wird (oder statt des
Motors als Antrieb für den
Steuerkranz ein umsteuerbarer Pneumatikzylinder verwendet wird).
Im vorliegenden Fall soll über den
Motor sogar eine Verriegelung des Steuerkranzes erreicht werden
(optional). Der Steuerkranz bildet daher zusammen mit dem Motor
ein selbsthemmendes Schneckengetriebe, angedeutet durch die auf
der Motorwelle sitzende Schnecke 25.
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Die
aktuelle Position der Polstücke
wird gemessen, wie in 1 gezeigt. Zu diesem Zweck ist der
Schwenkhebel 23 eines der Polstücke 11 mit einem Längenaufnehmer
gekoppelt. Der von diesem gemessene Weg bzw. Differenzweg ist ein
Maß für die aktuelle
Position des Polstücks
und der anderen ebenfalls mit dem Steuerkranz gekoppelten Polstücke. Die
Elektronik der Vorrichtung schließt in Abhängigkeit von dem vom Längenaufnehmer
vorgegebenen Wert auf die Größe des zu
erwärmenden
Bauteilabschnitts und wählt
die dazu passenden Betriebsparameter aus.
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Schließlich ist
noch anzumerken, dass die Polstücke 11 zweckmäßigerweise
insoweit sinngemäß von der
Lehre der vorveröffentlichten
WO 2006/084678 Gebrauch machen, dass die Polstücke 11 nicht bis an
das äußerste freie
Ende des zu erwärmenden
Hülsenabschnitts
am Hülsenabschnitt
anliegen, sondern im Nahbereich des äußersten freien Endes des Hülsenabschnitt
Abstand (bzw. größeren Abstand)
vom zu erwärmenden
Hülsenabschnitt
halten, dergestalt, dass es auch im Nahbereich des äußersten
freien Endes des Hülsenabschnitts
nicht zu einer störenden
Ungleichmäßigkeit
in der Erwärmung
kommt. Wegen der Einzelheiten wird insbesondere auf die Ausführungen
auf Seite 4, Zeilen 24 bis Seite 5, Zeile 7 der WO 2006/084678 verwiesen,
die im vorliegenden Fall sinngemäß gelten.
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Abschließend ist
noch zum ersten Ausführungsbeispiel
festzuhalten, dass die Polstücke 11, wenn
sie am zu erwärmenden
Bauteilabschnitt anliegen, auf Grund des hier zur Anwendung kommenden Querfeldprinzips
nur ein derart geringes Streufeld in die Umgebung entlassen, dass
beim Ein- und Ausspannen von Werkzeugen eine besondere Abschirmung
des Werkzeugschafts verzichtet werden kann. Gleichwohl ist die Vorrichtung
(wenn auch nicht im Bereich des Werkzeugschafts) im Wesentlichen
nach außen
abgeschirmt ausgeführt
(nicht gezeigt). Dies, um insbesondere Bediener mit Herzschrittmachern zuverlässig nur
unbedenklichen Feldkonzentrationen auszusetzen.
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Die 5 und 6 zeigen
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das mit andersartig geformten, vereinfachten Polstücken 11 ausgerüstet ist.
Auch diese Polstücke 11 können mit
der Umfangsfläche
des zu erwärmenden
Bauteilabschnitts in Kontakt gebracht werden, ggf. aber auch an
der stirnseitigen Kreisringfläche
eines zu erwärmenden Bauteilabschnitts
anliegen – etwa
so, wie von 5 illustriert.
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Soweit
nicht wegen der vereinfachten Gestaltung der Polstücke ein
Anderes gilt, treffen die zuvor zum ersten Ausführungsbeispiel gegebenen Ausführungen
auch auf dieses zweite Ausführungsbeispiel
zu. Insbesondere werden auch hier die Polstücke 11 zyklisch paarweise
angesteuert, um so die Luftstrecke zwischen den aktiven Polstücken zu
vergrößern, so,
wie oben für
das erste Ausführungsbeispiel
beschrieben.
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Die 7 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet
sich dadurch aus, dass ihr Gehäuse 6 in
bestimmter Art und Weise ausgestaltet ist, um einem Kurzschluss-Magnetfluss
unmittelbar zwischen je einem Polstück 11 und dem ihm
nahe liegenden Wandabschnitt des Gehäuses 6 entgegenzuwirken, dazu
sogleich. Ansonsten funktioniert dieses Ausführungsbeispiel in gleicher
Weise, wie die oben beschriebenen ersten beiden Ausführungsbeispiele. Vorzugsweise
werden auch die Polstücke 11 so
angesteuert, wie oben für
die ersten beiden Ausführungsbeispiele
beschrieben. Indes ist letzteres kein Muss, da es je nach Lage des
konkreten Einzelfalls auch ausreichen kann nur dafür zu sorgen,
dass es nicht (oder nicht nennenswert) zu einem Kurzschluss-Magnetfluss
unmittelbar zwischen den Polstücken 11 und
dem Gehäuse 6 kommt.
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Der
Sinn und die Wirkung der Maßnahmen, derer
sich dieses dritte Ausführungsbeispiel
bedient, ergibt sich recht anschaulich, wenn man das gemäß 1 für das erste
Ausführungsbeispiel
verwendete runde Gehäuse 6 und
das Gehäuse 6 des
dritten Ausführungsbeispiels
vergleicht. Bei Verwendung des besagten runden Gehäuses des
ersten Ausführungsbeispiels
kann es unter bestimmten Umständen,
insbesondere beim Erhitzen von Hülsenpartien mit
großem
Durchmesser, dazu kommen, dass die Nutzabschnitte der Polstücke 11,
d. h. die Abschnitte der Polstücke,
die bestimmungsgemäß zum Kontakt mit
den verschiedenen Hülsenpartien
vorgesehen sind, zu nahe an das Gehäuse 6 heranschwenken. Dadurch
kommt es dann u. U. zu einem störenden Kurzschluss-Magnetfluss
unmittelbar zwischen dem betreffenden Polstück 11 und dem Gehäuse 6.
Dieser Kurzschluss-Magnetfluss fließt nicht über die zu erwärmende Hülsenpartie,
kann also nicht genutzt werden.
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Um
insoweit Abhilfe zu schaffen, ist das Gehäuse 6 bei diesem dritten
Ausführungsbeispiel
nach Art eines Kleeblatts ausgebildet, im speziellen Fall wegen
der vier Polstücke
nach Art eines vierblättrigen
Kleeblatts. Das führt
dazu, dass das Gehäuse
in den Bereichen, in denen die Polstücke schwenkbar gelagert sind,
seine größte Zentrumsnähe aufweist (bezogen
auf die Symmetrieachse des bestimmungsgemäß positionierten Werkstücks), während alle
anderen Wandbereiche des Gehäuses
zentrumsferner sind. Auf diese Art und Weise weist das Gehäuse 6 zumindest
im Bereich der oben definierten Nutzabschnitte der Polstücke 11 Ausbuchtungen A
auf, so dass sich zwischen dem betreffenden Polstück 11 und
der Ausbuchtung A eine vergrößerte Luftstrecke
befindet. Diese verhindert, dass unmittelbar zwischen dem Polstück 11 bzw.
dem Nutzabschnitt des Polstücks
und dem Gehäuse 6 ein
nennenswerter Kurzschluss-Magnetfluss entsteht.
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Das
für das
dritte Ausführungsbeispiel
Gesagte gilt sinngemäß auch für das vierte
Ausführungsbeispiel.
Auch hier ist es so, dass das Gehäuse 6 in den Bereichen,
in denen die Polstücke 11 schwenkbar
gelagert sind, seine größte Zentrumsnähe aufweist,
während
alle anderen Wandbereiche des Gehäuses 6 zentrumsferner
sind – so
dass auch hier der Nutzabschnitt jeden Polstücks 11 in einer Art dreieckiger
Ausbuchtung A zu liegen kommt, die abermals (ggü. dem von 1 gezeigten,
runden Gehäuse)
eine vergrößerte Luftstrecke
zwischen dem Polstück 11 bzw.
dessen Nutzabschnitt und dem Gehäuse 6 schafft.